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一些半導體的基礎知識

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2024-11-27 10:14 ? 次閱讀

我們身邊的材料可以按導電性分為導體(Conductor)、絕緣體(Insulator)和半導體(Semiconductor)。金屬、石墨、人體等具有良好的導電能力,被稱為導體。橡膠、塑料、干木頭等是不導電的,或者說導電能力極差,屬于絕緣體。而導電能力介于導體與絕緣體之間的硅、鍺等材料,就是半導體。來張圖直觀看看物體的導電性:

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按照導電性可分為:

絕緣體:電導率很低,介于10-18~10-8 S/cm,如熔融石英、玻璃;

導體:電導率較高,介于103~108 S/cm,如鉍、銀等金屬;

半導體:電導率則介于絕緣體和導體之間。

一、能帶的概念

想要更深層次地了解半導體,就需要先了解一下能帶的概念。能帶是根據電子能量高低及狀態劃分的區域,通常包括導帶(Conduction band)、禁帶(Forbidden band)、價帶(Valence band)三部分。電子在能帶中的位置越高,其能量就越大。

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以下是非常學術的解釋:

本征半導體的晶體結構中存在著由于熱激發出來的“自由電子”,還有未能夠被激發出來的“價電子”(存在于共價鍵之中)。價電子要想逃離原子核的束縛需要具有一定的能量克服引力做功,一旦逃離出共價鍵之后,勢必當前的電子吸收的外在的能量,具有更高的能量。我們任意剖開某一個晶格,進入到晶體的微觀世界中,可以將共價鍵控制的區域稱為價帶,將共價鍵控制不到的區域稱為導帶,顧名思義在導帶里面的電子成為了電流的載流子。價帶和導帶之間稱為禁帶,在量子世界里,電子能夠吸收能量從價帶躍遷到導帶,也能釋放能量從導帶跌入到價帶,禁帶被認為是電子的真空區域。

以下是很形象的比喻:

導帶是高架橋,價帶是地面人行道。半導體就像是人滿為患時的地面交通,電子們寸步難行擠成狗,但你若是有本事跳上空曠無人的高架橋,那就可以隨便蹦跶了。高架橋到地面之間的空檔,就被稱為禁帶。所謂禁帶,就是說電子沒地方可站。高架橋若是太高,電子們跳不上去,交通便陷入徹底癱瘓。這是絕緣體。高架橋若是接上了地面道路,電子們就能紛紛上橋,交通立刻順暢起來。這是金屬。現代半導體技術,之所以能夠實現器件的開關,就是能夠在高架杯和地面之間架起一座臨時的梯子,它將決定地面上有多少幸運的電子能夠登上高架橋,擔負起導電的偉大使命。

因此,禁帶寬度(Bandgap)是區分導體、絕緣體和半導體的重要標志。導體的禁帶寬度為零,電子可以輕易進入導帶,成為自由電子,因此導體的導電能力很強。而絕緣體的禁帶寬度很大,電子要躍遷到導帶需要很大的能量,只有極少的電子能越過禁帶,因此絕緣體的導電能力極差。而半導體的禁帶寬度較絕緣體小,電子越過禁帶需要的能量小,有更多的電子能夠越過禁帶,因此導電能力比絕緣體略強,但仍然遠遜于導體。

Si3N4的禁帶寬度為8eV(電子伏特),Al2O3的禁帶寬度為10.6eV,它們是絕緣體。而鍺、硅、砷化鎵、氮化鎵以及氧化鎵的禁帶寬度分別為0.67eV、1.12 eV、1.43eV、3.4eV和4.8eV左右,它們都是半導體。(注:電子伏特是能量單位,代表一個電子經過1V的電位差加速后所獲得的動能)

從三種材料的能帶圖來看,半導體和絕緣體的能帶是類似的,而與導體的能帶圖相差較大。其實并沒有一個明確的禁帶寬度大小來區分半導體與絕緣體,并且隨著半導體材料的不斷發展,半導體的禁帶寬度越來越大,寬禁帶、超寬禁帶半導體的禁帶寬度,已經越來越接近一些絕緣體。

二、N型半導體和P型半導體

半導體相較于絕緣體有另一個特征,那就是半導體材料中一旦摻入了雜質原子(簡稱摻雜)后,就會對半導體材料的物理和化學性質產生決定性的影響。如按十萬分之一的比例在硅中摻入磷原子,硅的導電性將提升一千倍。

自然界中常見的元素半導體有硅、鍺。而鍺基半導體比硅基半導體還要更早發現和應用,但是硅的天然優勢就是便宜!自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素!

先深入了解一下硅元素,在元素周期表中,硅排列在第14位,硅原子最外層有4個電子,分別與周圍4個原子共用4對電子,這種共用電子對的結構稱為共價鍵(Covalent bonding)。注意,硅原子共用電子的情況是,中間一個硅原子和四個硅原子共用電子。

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物理學家想到一個問題,如果不與周圍硅原子共用電子,把其他原子拉進會怎樣?砷原子最外層有5個電子,其中4個電子找到了硅原子,另外一個電子單著了,這個電子成了無業游民,到處流竄,由于電子帶有電荷,于是改變了硅的導電性。此時的砷原子多提供了一個電子給硅,因此砷原子被稱為施主(donor)。硅的自由電子多了以后,帶負電的載流子增加,硅變成N型半導體。為啥叫N型?在英文里Negative代表負,取這個單詞的第一個字母,就是N。

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同樣,物理學家想,既然可以把電子多的砷元素拉進群,那么是否也可以把電子少的硼原子拉進群? 由于硼原子最外層只有3個電子,比硅少一個,于是本來兩對電子的共價鍵現在成了只有一對電子,多了一個空位,成了帶正電的空穴(Hole)。此時的硅基半導體被稱為P型半導體,同樣P來自英文單詞Positive的首字母,而硼原子則被稱為受主(acceptor)。正是在硅單晶中加入的原子不同,便形成了N型半導體和P型半導體。

由于加入硼或砷以后,它們改變了硅的電化學性能,此時的半導體叫做非本征(extrinsic)半導體,而由P型半導體和N型半導體接觸形成的結稱為p-n結!

三、p-n結的原理

左圖是一個P型半導體和一個N型半導體,它們獨立存在時對外不顯電性。

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將它們拼接在一起,你看看我,我看看你,P家的空穴想去N家串串門,N家的電子也想去P家看看。它們分別往對方的陣地走,走著走著它們猛然發現,電子可以掉進空穴里,空穴可以完全接納電子,在它們碰到的地方既沒有了空穴,也沒有了電子(因為復合了),這個區域稱為耗盡區(Depletion region)。既然中間有了耗盡區,電子跑不動了,空穴也跑不動了。

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但如果我們給這些電子加把力,把它往前推一下會怎么樣呢?那就給這個p-n結外加一個電場,有電場就有了電子的流動。我們把P型半導體接入正極,N型半導體接入負極時(如下圖)。外加電壓使P區的電位高于N區的電位,稱為加正向電壓,簡稱正偏;p-n結加正向電壓時,p-n結變窄,正向電流較大,正向電阻較小,p-n結處于導通狀態。

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如果把正負極反過來接在p-n結上會怎樣?將外加電壓使P區的電位低于N區的電位,稱為加反向電壓,簡稱反偏;p-n結加反向電壓時,p-n結變寬,反向電流較小,反向電阻較大,p-n結處于截止狀態。

總結一下,通過對p-n結施加不同方向的電壓,得到:p-n結加正向電壓時,呈現低電阻,具有較大的正向擴散電流,p-n結導通。p-n結加反向電壓時,呈現高電阻,具有很小的反向漂移電流,p-n結截止,由此可以得出結論:p-n結具有單向導電性。要知道,p-n結是一切半導體器件的基礎,就如同面粉是主食的基礎,面粉可以做成包子、饅頭、面包、面條…

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