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半導(dǎo)體是什么-半導(dǎo)體包括哪些材料-詳細(xì)
  • 發(fā)布時(shí)間:2019-08-05 16:07:51
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半導(dǎo)體
金屬(例如鋁、銅和銀)都是很好的電導(dǎo)體,原子周期性規(guī)則排列。原子外層電子(價(jià)電子)可以在材料中自由移動(dòng)。由于原子的數(shù)量非常大,因此自由電子的數(shù)量更是龐大(通常在1023cm-3的量級(jí)),即使是非常小的電場(chǎng)都會(huì)導(dǎo)致很大的電子電流-因此,金屬總是呈現(xiàn)出很好的導(dǎo)電特性。
但是,絕緣體(例如二氧化硅)與導(dǎo)體的特性就完全個(gè)一樣。在絕緣體中,價(jià)電子在鄰近原子之間形成價(jià)鍵,從而被緊緊束縛在原子的周圍。因此,絕緣體中沒(méi)有可移動(dòng)的自由電子,從而電導(dǎo)率非常低。
半導(dǎo)體(例如硅或者鍺)的導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。在極低溫時(shí),價(jià)電子束縛在其原子周圍,形成規(guī)則的晶體。但是,隨著溫度升高,由于原予的熱擾動(dòng),一些價(jià)鍵斷裂,電子就會(huì)從斷裂的價(jià)鍵巾逃逸出來(lái)。這種電子具有導(dǎo)電能力。而且,每一個(gè)逃逸的電子將在價(jià)鍵處留下一個(gè)電荷缺陷(稱為空穴)。價(jià)鍵中的價(jià)電子如果與空穴鄰近,就很容易移動(dòng)填入宅穴,在其原來(lái)的位置留下一個(gè)新的空穴。這種效應(yīng)就像空穴從一個(gè)價(jià)鍵流向另一個(gè)位置。空穴的“移動(dòng)。方向與價(jià)電子的移動(dòng)方向相反,在電場(chǎng)中,空穴的行為就像一個(gè)正電荷。
對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō),在室溫下導(dǎo)電是可能的。但是,熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子和空穴濃度都遠(yuǎn)小于金屬中自由電子的濃度。通常情況,對(duì)于硅和鍺來(lái)說(shuō),每立方厘米中的載流子數(shù)典型值分別為1010和1013在下面的章節(jié)中,將主要分析目前的主流材料-硅。
在純凈的硅材料中添加額外的外來(lái)粒子(摻雜物)可以提高半導(dǎo)體中自由載流子的數(shù)量。硅(和鍺)具有四個(gè)價(jià)電子。如果摻雜物中的原子有五個(gè)價(jià)電子(例如砷、磷或者銻),將該材料摻雜進(jìn)入半導(dǎo)體,這些雜質(zhì)原子就會(huì)占據(jù)硅原子在晶格中的位置。因此,四個(gè)價(jià)電子都會(huì)參與形成四個(gè)價(jià)鍵,將原子與品格中臨近的原子綁在一起。外來(lái)雜質(zhì)的第五個(gè)價(jià)電子沒(méi)有任何價(jià)鍵束縛,可以在材料中自由移動(dòng),但是,這個(gè)價(jià)電子也可能出現(xiàn)存任意價(jià)鍵中,從而脫離現(xiàn)有原子的束縛,成為自由電子。因此,這種雜質(zhì)原子(也稱為施主原子,因?yàn)槠湓黾恿税雽?dǎo)體中自由電子的數(shù)量)可以改變材料的電導(dǎo)特性。
在純凈的硅材料:1,添加儀有三個(gè)價(jià)電子的雜質(zhì)原子也可以提高半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。每個(gè)雜質(zhì)原子將缺乏一個(gè)價(jià)鍵電了,因此,這種原子就可以產(chǎn)牛一個(gè)空穴。這些雜質(zhì)(例如硼、鋁和鎵等)稱為受主原子,因?yàn)榭昭〞?huì)通過(guò)接受臨近半導(dǎo)體原子價(jià)鍵的價(jià)電子來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng),從而產(chǎn)生電流。
這樣,摻雜半導(dǎo)休將同時(shí)存在由于熱運(yùn)動(dòng)形成的載流子和施主(或者受主)原子。包含施主原子的材料同時(shí)具有自由電子和空穴,其電子數(shù)量多于空穴。這種半導(dǎo)體也稱為N型半導(dǎo)體,這里N表示“Negative”(負(fù)的)。包含受主原子的材料中,空穴為多數(shù)載流子,因此稱為P型半導(dǎo)體,這里P表示“Positive”(正的)。
半導(dǎo)體上藝也可以制造出同時(shí)包含不向類型鄰近區(qū)域的結(jié)構(gòu)(圖2.1)。將兩種類型區(qū)域結(jié)合起來(lái)的表面區(qū)域稱為PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)形成時(shí),多數(shù)載流子(N型區(qū)域的多子為電子,P型區(qū)域的多子為空穴)的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)將使電了從N型區(qū)域流向P型區(qū)域。反之,空穴將從P型區(qū)域流向N型區(qū)域。因此,這種隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)(稱為擴(kuò)散)會(huì)使P型半導(dǎo)體積累負(fù)電荷,而N型半導(dǎo)體積累正電荷。這種效應(yīng)在PN
結(jié)的接觸面附近最為顯著:在P型區(qū)域,帶負(fù)電的受主原子由于空穴的引入不再呈現(xiàn)電中性,而(N型區(qū)域)自由載流子個(gè)再圍繞在帶正電荷的施主離子附近。因此,在PN結(jié)的附近,形成了固定離子的偶極子層(圖2.2)。偶極子層會(huì)產(chǎn)牛一個(gè)與多數(shù)載流子擴(kuò)散方向相反的電場(chǎng)E,會(huì)使熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)牛的少數(shù)載流子(P型區(qū)域中的電子和N型區(qū)域中的空穴)從一個(gè)區(qū)域流向另一個(gè)區(qū)域。因此,在短暫的瞬態(tài)變化后,PN結(jié)中載流子狀態(tài)達(dá)到平衡。四種不同的載流子將在半導(dǎo)體中流動(dòng):多數(shù)載流子將從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散至另一個(gè)區(qū)域,與電場(chǎng)E無(wú)關(guān),少數(shù)載流子將在電場(chǎng)E的作用卜流動(dòng)。因?yàn)殡妶?chǎng)E的效應(yīng)會(huì)補(bǔ)償多數(shù)載流子的數(shù)量,所以,在平衡狀態(tài)下,這些電流將相互抵消。
如果在半導(dǎo)休上:焊接導(dǎo)線,并施加電壓,其平衡狀態(tài)將被打破(圖2.3)。首先,假設(shè)電壓源的極性是使P型區(qū)域的電壓高于N型區(qū)域的電壓,那么在圖2.3中就是V>0。然后外加電壓將降低電場(chǎng)E,從而減小了電場(chǎng)E的束縛,增加了多數(shù)載流子在邊界上的擴(kuò)散電流。即使電場(chǎng)E只有少量減小,例如V=0.8V,可以在電路中產(chǎn)生很大的多數(shù)載流子電流(例如I=lA)。因此,這種極性的電壓V就稱為正向電壓,而I也就稱為正向電流。
現(xiàn)在分析電壓極性相反的情況,即圖2.3中,V<0)。這樣外加電壓V將增強(qiáng)電場(chǎng)E,阻止多數(shù)載流子在區(qū)域問(wèn)流動(dòng)。如果V足夠大,多數(shù)載流子電流幾乎消失,只有少數(shù)載流子仍在流動(dòng)(電子從P型區(qū)域流向N型區(qū)域,空穴從相反入向移動(dòng))。由于少數(shù)載流子的數(shù)量非常小,而且?guī)缀跖c外加電壓V無(wú)關(guān),從而PN結(jié)的凈電流將非常小,基本保持恒定。這種情況下,V和I就分別稱為反向電壓和反向電流。利用圖2.3中所規(guī)定的參考方向,此時(shí)I
半導(dǎo)體
其中,Is表示二極管的反向飽和電流,由器件采用的材料特性以及器件幾何尺寸確定;電子電荷最q≈1.6X10-19C;玻爾茲曼常數(shù)R≈1.38X10-23J/K;T表示半導(dǎo)體的溫度,單位為開(kāi)爾文,在室溫下(T=300K),RT/q≈26mV。Is通常都非常小,在10-9A量級(jí),甚至可能更低。從而可以得出,當(dāng)V>O時(shí),電流丁隨著電壓的升高而呈指數(shù)關(guān)系增大,而當(dāng)V<0,電流I≈一Is,其值非常小(圖2.4)。
N型區(qū)和P型區(qū)交界區(qū)域的特性是非常重要的。如前文所述,在該區(qū)域中,多數(shù)載流子是非常稀疏的,一些載流子流進(jìn)該區(qū)域,而同時(shí)另一些被電場(chǎng)E推回到本身原來(lái)的區(qū)域。因此,交界區(qū)域含有固定的離子,使得P型區(qū)帶有負(fù)電,而N型區(qū)帶正電(圖2.3)。因此,這一區(qū)域稱為耗盡層,其寬度隨著電場(chǎng)E的增加而增大,即在反向偏置(正向偏置)狀態(tài)下,耗盡層寬度將增大(減小)。
半導(dǎo)體
由于電場(chǎng)E的存在,當(dāng)外加電壓為0時(shí),耗盡區(qū)仍然會(huì)呈現(xiàn)偏置電壓ψ:(通常稱為內(nèi)建電壓)。當(dāng)外加電壓不為0時(shí),PN結(jié)上總的電壓降應(yīng)為ψi-V,通常情況下,ψi=0.5~1V。
對(duì)于V
半導(dǎo)體
其中,εs≈1.04pF/cm表示硅的介電常數(shù),εs≈εoKs,這里εo表示自由空間( FreeSpace)的介電常數(shù)(εo≈8.86X10-14F/cm);Ks≈ll.7表示硅的相對(duì)介電常數(shù)(有時(shí)為了簡(jiǎn)單也稱為介電常數(shù));Na(Nd)表示每立方厘米中受主原子(施主原子)的數(shù)量。
注意,電容C隨著電壓|v|的增大而不斷增大。
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