2022年半导体的基础知识 .pdf

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1、名师精编优秀资料半导体的特点半导体之所以得到广泛的应用，其主要原因并不在于它的电阻率大小，而是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。导电能力随温度灵敏变化导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高0.4%） 。而半导体则不一样，温度每升高或降低1 度，其电阻就变化百分之几，甚至几十， 当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273）时，则成为绝缘体。导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。杂质的显著影响在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万

2、的增加。这是最特殊的独特性能。其他特性温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。本征半导体常用的半导体材料主要有硅(Si)和锗 (Ge) 高纯度的硅和锗都是单晶结构，它们的原子整齐的按一定得规律排列着，原子之间的距离不仅很小，而且相等， 我们把这种非常纯净的且原子排列整齐的半导体称为本征半导体。硅、硼、磷原子结构示意图如下：正常情况下，他们的原子都是呈中性的。在硅制成单晶后，其最外层的4 个电子不仅受自身原子核的约束，还与相邻的 4 个原子核相吸引，2 个相邻的原子之间共有1 对电子，称为共价键结构。如果共价键中的电子受到一定的热或光照等作用下，晶体中的共价电子有一部分受到激发可能

3、会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时这个电子原来所在的共价键的位置上形成一个电子空位，称之为“ 空穴 ” 。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴， 产生了一对电子和空穴。在本征半导体中自由电子和空穴的数目是相等的，称为电子空穴对，电子空穴对的运动是杂乱无章的，就整体而言对外不显电性。只有在外加电场的作用下电子空穴运动才具有方向性。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 4 页名师精编优秀资料能带图硅原子在晶体中的共价键结构半导体材料硅的晶体结构硅晶体的金刚石结构晶体对称的，有规则的排列叫做晶体

4、格子，简称晶格， 最小的晶格叫晶胞。金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4 互相套构而成。晶面、晶向、原子密排面和解理面晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。下面左图是几种常用到的晶面和晶向。在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如右图所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 4 页名师精编优秀资料比较简单的一种包含原子密排面的

5、晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移1/4 而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶面上原子排列的情况，如图 1.2-7 所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质： (a)由于 (111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下， 晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。(b)由于 (111)密排面结合牢固，化学腐

6、蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以 (100)面比 (111)面的腐蚀速度快， 选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多， 因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。掺杂半导体本征半导体的实际价值不大，但如果在本征半导体中掺入微量的某种元素，就会形成 N型或 P 型半导体(1)N 型半导体在本征半导体(以硅为例 )中掺入 5 价元素如：磷等，因磷原子的最外层有5 个电子，其中的 4 个电子同硅的4 个电子组成共价键形成稳定结构，多余的电子很容易受

7、到激发形成自由电子。掺入的磷元素越多，则自由电子就越多。这种掺入5 价元素的半导体称为N 型半导体。其主要依靠自由电子导电，称为多数载流子，而空穴数量远远少于电子数量，称为少数载流子。(2)P 型半导体在本征半导体中掺入3 价元素如硼等， 因硼原子的最外层只有3 个电子， 其中 3 个电子和硅原子外的3 个电子组成共价键后就留下一个空穴，空穴数目增多，自由电子则相对很少，故掺入 3 价元素的半导体称为P 型半导体。 P 型半导体主要依靠空穴来导电，称为多数载流子，而自由电子因数量远少于空穴数量，故称为少数载流子。一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平

8、衡状态， 此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。半导体一旦受到外界因素作用（如光照， 电流注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流子。当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后，非精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 4 页名师精编优秀资料平衡载流子不会永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是随着时间逐渐减少消失的，他们的存在时间有些长些，有些短些，有一个平均的存在时间，这就是我们所

9、说的“ 非平衡载流子的寿命” 。半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因。非平衡载流子也就是由于外界因素引起产生的电子空穴对复合的主要方式有三种： 直接复合 ，间接复合 和表面复合 。a 直接复合 电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合，复合的过程在是电子直接在能带间跃进，中间无须经过任何间接过程，这种复合称为直接复合。一般的杂质半导体寿命是和多数载流子的密度成反比的，或者说半导体的电阻率越低，则寿命越短。电阻率越低，多数载流子浓度越高，这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合，所以寿命就越短。b 间接复合 某些杂质元素即使是很少量地存在于半导

10、体材料中便对材料的寿命数值有决定性的影响，晶体中的缺陷也有类似的作用，这说明晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用。这种复合与直接复合不同，它是通过禁带中某些杂质（缺陷）能级做为“ 跳板 ” 来完成的。靠禁带中的杂质（缺陷）能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合，那些起复合作用的杂质（缺陷）能级被称为复合中心。复合中心是不断地起着复合作用，而不是起了一次复合作用就停止了。通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多。这是因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少，相当于分阶段放出能量，所以容易得多。因而间接复合过程大多情况下决定着半导体材料

11、得寿命值。直接复合和间接复合都是在半导体内部完成得，所以也称为“ 体内复合 ” 。c 表面复合 半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子， 半导体表面存在着表面缺陷。这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构在表面中断， 表面原子出现悬空键，或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力， 造成在体内更多的缺陷和晶格畸变，这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级，表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的。实际上表面复合过程属于间接复合， 此时的复合中心位于半导体材料的表面。d 载流子的漂移运动和迁移率半导体中的载流子在不停地作无规则的热运动，没有固定方向的流动，所以半导体中并

12、不产生电流。若在半导体两端加上一个电压，即半导体处于一个电场中，载流子在电场加速作用下，获得了附加的运动， 这就称之为载流子的漂移运动。实际的晶体中有杂质原子，缺陷，晶格原子也不停地振动。 这些因素都使晶体中载流子的运动状态或运动方向不断发生变化，载流子运动方向不断发生变化的现象，称之为散射。由于散射的作用，漂移运动是曲折前进的运动。迁移率是衡量半导体中载流子平均漂移速度的一个重要参数，其数值等于在单位电场作用下电子和空穴的定向运动速度。因此，它反映了载流子运动的快慢程度。载流子的迁移率随着温度，掺杂浓度和缺陷浓度变化。同一种半导体材料，温度升高，迁移率下降，掺杂浓度，缺陷浓度增加， 迁移率同

13、样逐渐下降。迁移率还和载流子的有效质量有关。电子的有效质量比空穴小，所以电子的迁移率比空穴大。迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数，掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂浓度，另一方面取决于迁移率的大小。e 载流子的扩散运动，扩散系数， 扩散长度 向半导体中注入非平衡载流子时，注入部分的载流子密度比其它部分高， 载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移，这种现象叫做载流子的扩散运动。扩散的强弱是由载流子浓度的变化决定的，浓度梯度越大，扩散也越容易，同时，扩散的强弱还与载流子的种类，运动的速度以及散射的次数等有关，我们用扩散系数来表示载流子扩散能力的强弱。 非平衡载流子在扩散运动过程中不断地复合而消失。结果非平衡载流子密度由注入部分开始向密度小的方向逐渐减小。在连续注入的条件下，非平衡载流子密度由大到小形成一个稳定的分布。由注入部位到非平衡载流子密度减小到1/e 数值位置之间的距离称为载流子的扩散长度，如图1.12-1 所示，它也是半导体材料的重要参数之一。扩散长度可以理解为：非平衡载流子在平均寿命时间内经扩散运动所通过的距离。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 4 页