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1、半导体物理简介1. 半导体材料介绍 半导体的种类 半导体的键结与晶格结构 半导体中的导电载子-电子与电洞 产生与复合带沟与半导体的光电特性 半导体的掺杂2. 半导体之导电行为 移动电流与扩散电流 多出载子的传导行为本章是要简介以半导体为基础的近代电子学中的基本概念，包括半导体材 料、基本半导体组件，以及应用。这里仅提供简单且直觉的物理图像，严谨的探 讨与推导公式不在描述的范围内。电子技术的进步造就了我们目前信息计算机产业的发展，更改变了我们日常生 活形态，甚至人类的思考模式、文化活动以及国家间之政治与军事的互动。电子 技术中的主角就是半导体。因此，我们将由半导体材料的种类及特性开始介绍， 并就
2、他的重要导电行为加以讨论，再来介绍最基本的半导体组件-二极管。对于 二极管有了初步了解后，三极体（或称为双极晶体管BJT）的特性就很容易能够 掌握。场效晶体管（FET ）的操作原理和三极体完全不相同，这里会特别介绍在 近代计算机中用得最多的金氧半场效晶体管（MOSFET）。除了基本组件的原理描 述外，对于一些特殊功能的组件，例如发光二极管、二极管雷射、高频晶体管等， 均将略加介绍。最后我们将就集成电路技术的内容及发展做简短的描述，并探讨 他们在现代人类生活中扮演的角色。1 半导体材料半导体（semiconductor）顾名思义系指导电度介于导体与绝缘体的物质，图1 将一些常见材料依其导电度（下
3、方横轴）标出，上方横轴所标示的是对应的电阻 率。半导体的导电度大约介于 10-8到 103 S/cm 之间，范围相当的广，即使是同 一半导体材料的分布也很大，这主要是由于半导体的导电性很容易受到杂质、温 度及光照等制备及环境条件的影响。也正是由于半导体的这个多变的特性，使得 他能够有多样性的应用。图1 一些常见材料依其导电度（下方横轴）及电阻率（上方横轴）标出。幅7 to-4 to-*電阻率P lA-cm *0特 IO14 10，E50* w* to4 to1T I I I I I “尸軋化鎳 錨石硫磺石英碑化鑼MW）磷4瞒_ 卿円硫化鎬（cd銀銅變白KT1* KT* f(r* KT11 It
4、rio p- 1O-* 1CT1 1 1OK 10* 1Q*10*導電度b半导体的种类半导体材料依其构成的元素可分为元素半导体（element semiconductors）以 及化合物半导体(compound semiconductors)元素半导体，例如硅(silicon, Si)、 锗(germanium, Ge),由单一的四价元素(有四个价电子)所形成。常见化合物半 导体又可依照成分元素的周期表分类分为四四族化合物半导体(如碳化硅 SiC、 硅锗合金等)、三五族化合物半导体(如砷化镓GaAs、氮化镓GaN、磷化镓GaP、 砷化铟InAs等二元化合物，及砷化铝镓AlGaAs、磷化铟镓Ga
5、lnP、氮化铟镓 GainN、磷砷化铟镓InGaAsP等三元或四元化合物)、以及二六族化合物半导体(如硫化镉CdS、鍗化镉CdTe、硫化锌ZnS等)。图2是周期表内二价到六价的 元素，大部分的半导体是由这些元素所组成。图2和半导体相关之周期表II III IV V VIAlSiPZnGaGeAsSejCdInSnSbTelHg元素半导体中的硅是目前工业中最主要的半导体材料，其原因在于硅在地球 表壳中存量丰富，又能在上面长出质量良好的氧化层，适合大规模的集成电路的 制作。其它半导体则依其特性各有不同的用途，例如三五族半导体有优良的发光 特性以及快速的电子传导特性，因此在光电产业及通讯电子方面就占
6、有非常重要 的角色。半导体的键结与晶格结构 半导体的特性和其组成原子间的键结以及晶格结构有密切的关系。以硅和锗为例，原子最外层有四个价电子，若最邻近原子数为 4，则原子间的键结形式为 所谓的sp3混成轨道形成之共价键(covalence bond)，所形成的晶格结构和钻石相 同，称为钻石结构(diamond structure)，图3(a)是他的一个单位立方晶格中原子排 列的情形，实际的结构就是以此为单位重复的在空间中排列。钻石结构可以看成 是两个相同的面心立方晶格(由正立方体 8 个顶点及 6 个面的中心点组成)，在 沿着对角线方向相错四分之一个对角线长度排列。我们可以看出钻石结构是一个 很
7、空洞的结构。三五族化合物半导体(例如砷化镓)的平均价电子数也是 4，五族元素多出 1 个电子刚好补足三价元素之不足，因此可以形成和钻石结构类似的晶格，称做闪锌（Zincblende）结构，如图3（b）所示，其中每一个三族元素（镓）有4个最邻近的 五族元素（砷），同样的每一个五族元素（砷）有 4 个最邻近的三族元素（镓）图3常见的半导体晶格结构：（a）钻石结构，（b）闪锌结构。并非所有的化合物半导体都是闪锌结构，有一些二六族化合物半导体，例如 硫化镉及硫化锌等，则形成以六方晶格为基础之乌采（Wurtzite）结构，原子密度 较闪锌结构致密。这些化合物用途较局限，在此不再详述。在讨论半导体的键结与
8、导电特性时，如图 3 之立体图使用上并不方便，通常 我们可以将三维的键结用二维的图像代表。在图 4 中每一个硅原子在同一平面有 四个最邻近原子，各原子间以一个共价键连结，而每一个共价键由两个电子组 成。这里还要强调一下，这个平面图像只是为了讨论方便，实际的结构还是要回 归到三维的排列。图4硅键结的平面图像例题 1在温度300K,硅的单位立方晶格的边长a (称为晶格常数，lattice constant) 为5.43A，计算硅每立方公分所含之原子数及质量密度。解：由图3(a)，一个单位立方晶格中包含8个八分之一的顶角原子、6个二分之一的1 1面心原子、及4个内部的完整原子，故共8一 + 6一 +
9、 4 = 8个原子。有 8 2 每立方公分所含之原子数为8=223a 3口835.010 原子/cm质量密度为(543 - 10 cm)： 22 3每立方公分原子数 原子量=5.0- 10 (原子/cm) - 28.9= 2.33 g/cm3(g/mole)亚佛加厥常数6.02 -13 (原子/mole)半导体中的导电载子-电子与电洞 由上面讨论我们知道半导体中原子间的键结都是共价键，假如所有的共价键 都是完整的，晶格中就没有可导电的自由电子，那么他应该是绝缘体才对。在实 验上发现，即使是很纯的半导体，例如硅，在室温时还是有些许的导电度，而且 温度上升，导电度会增加。这些导电度来自于在室温时，
10、少部分共价键中的电子 吸收了足够的热能跳出他的键结位置，进入共价键间的空间，而大部分的键结还 是完整的，只要电子不回到空出的键结位置，他可以在晶格的空间中游动，因此可以导电。这个可以移动的电子我们称为导电电子(conduction electron)o图5(a) 表示在 A 位置的电子吸收足够的能量，跳出共价键的位置，形成导电电子。在图5(a)中我们同时可以看到，电子跳出后在A还留下了一个空位，其它共 价键的电子，有可能去填充此空位，例如图5(b)中之B位置的电子去填了 A之 空位，造成空位的位置由A移到B。在没有空位时，由于原子核的电荷和电子 的电荷完全抵销，故不带电，成电中性；而在空位附近
11、由于少了个电子，等效上 是带了一个基本单位的正电。因此，空位的移动，我们可以看成是一个正电荷的 移动，也可以导电。这个能够导电的空位称为电洞(hole)，我们把他当成一个带 有单位正电荷的粒子。导电电子与电洞均可导电，都称为载体(carriers)。Si屯子電泪(b)图5 (a)在A位置的电子跳出共价键的位置形成导电电子；(b)B位置 的电子去填了 A之空位，造成空位的位置由A移到B。电洞在电场中的行为真的像一个带正电的粒子吗？我们可以利用图 6 的一维 简化图像来说明。图6(a)代表完全填满的共价键，即使外加了电场，也不会有电 流产生。假如某一位置的电子被移除了，所留下的空位由于原子核的带电
12、，等效 上带了一个基本单位的正电，如图6(b)中最上图。加上正向电场(向右)后，只 有空位右方的电子可以移到空位上，其它的电子没有空位可填，依旧不移动。图 6(b)是在几个时间电子及空位的位置图，很容易可以看出虽然电子是向左移动， 但空洞的位置却向右沿着电场方向移动，和一个正电粒子相同。图6(c)只将空洞 的位置画出，其它电中性的部分忽略掉，这就是一个电洞受电场影响而运动的图 像。图6 (a)完全填满的共价键；(b)位置的电子被移除了，加上正向电场(向 右)后，只有空位右方的电子可以移到空位上；(c)一个电洞受电场影响而 运动的图像。t畤 閒間oo oooooooooooti在纯的半导体中，导
13、电电子与电洞是成对出现的，也就是说一个电子离开共 价键形成导电电子的同时一定留下一个电洞，因此电子的浓度n(l/cm3)和电洞的 浓度p(1/cm3)必然相同，即n=p=ni=pi，(l)n及Pi代表纯半导体中之导电电子及电洞的浓度，或称固有浓度(intrinsic concentration)o纯半导体我们有时候也成他做固有半导体(intrinsic semiconductor)，对应于后面会提到的掺有杂质的非固有半导体(extrinsic semiconductor)。 ni 是温度的函数，温度升高，平均被破坏的共价键变多，固有电 子电洞的浓度增加，导电度增加。表 1 是常见的半导体硅、锗
14、和砷化镓在室温的 n：。以硅为例，n=1.45x1Oio cm-3，远小于例题1中之硅原子密度5.0x1022 cm-3， 平均约每3x1012个原子才贡献一个导电电子与电洞！纯的硅导电度不是很 好，用途有限。表 1 常见半导体在室温的固有电子浓度及带沟半导体种类固有电子浓度ni (cm-3)带沟Eg (eV)锗(Ge)2.4x10130.67硅(Si)1.45x10101.12砷化镓(GaAs)1.79x1061.42产生与复合在共价键中的电子必须吸收足够的能量才能跳出形成电子与电洞，而所需之 最小能量称做带沟(band gap) Eg,而这个过程叫做产生(Gneration),所吸收的 能
15、量可以是晶格的振动能量(热能)，光子的能量(辐射)，或高速粒子的能量 当能量不足时，共价键的电子并不吸收。带沟的大小，一般以电子伏特(eV)为单 位,和共价键的强度有关,共价键强度愈强,带沟愈大,键愈弱则带沟愈小。表 1 也列出了常见半导体的带沟，硅的带沟较锗为大，也就是说硅的共价键较锗 强，在室温时破坏的共价键较少，固有的导电电子电洞的浓度硅就较锗为低。同 样的四价元素碳(C)，排列成和硅相同的钻石结构，由于共价键非常的强，带沟 远比硅大，在室温时几乎没有导电电子与电洞，故为绝缘体。当然这里应该可以 想得到，当温度够高时，钻石也可以是半导体！当导电电子在晶格中碰到了电洞，他们有机会结合形成填满的共价键，并放 出和带沟差不多的能量，放出能量的形式一般可以是热能(晶格的振荡)或光子 这个过程我们称为复合(Recombination)。产生与复合互为逆反应，我们可以用类似化学反应式的形式写出：lllllla共价键产生(吸收能量)复合(放出能e_+ h+(2)量)这个可逆反应的反应热大约是带沟的能量。其中e-代表导电电子，h+代表电洞。 室温时的导电电子和电洞浓度就是这
