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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
2、就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（semiconduc tor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
3、电度（下方横轴）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 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 錨石硫磺銀銅石英碑化鑼MW）磷4瞒_ 卿円硫化鎬（cd變白KT1* KT* f(r* KT11 I
4、trio p-10i0 cm-3)远小于例题1中之硅原子密度5.0)1022 cm-3) 平均约每3)012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 (cmO带沟Eg (eV)锗(Ge)2.4)0130.67硅(Si)1.45)0101.12砷化镓(GaAs)1.79)061.42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(Generation)所吸收的 能量可以是晶格的振动能量(热能)，光子的能量(辐射)，
5、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：共价键产生(吸收能量)(2)e- h复合(放出能 -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个可逆反应到达平衡后的平衡浓度，当温度 升高时，平衡浓度上升。这里要对光的吸收与放出多做一些说明。一般而言，光被吸收或产生是以光子为单位，一个光子的能量E和他的频率v成正比，即
