基础知识

导体、绝缘体与半导体

在物理学中,根据材料的导电能力,可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge,它们都是4价元素。

本征半导体

本征半导体就是化学成分纯净且晶体结构完整的半导体晶体,一般来说制造半导体器件要求半导体材料的纯净度达到 99.9999999%,通常说要有 9 个 9。

本征半导体的原子之间会形成共价键,相邻的两个原子会各拿出一个电子,一起共享,以此让每个原子都形成 8 电子稳定结构。不过这个图其实只是简化了一下,实际上应该是三维立体的结构,一个原子和相邻的原子构成标准的正四面体。

所以在 绝对温度 T = 0K 的时候,所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中,不会变成自由电子,因此本征半导体的导电能力非常弱,接近绝缘体。

本征激发

随着温度的升高,或者本征半导体收到了光线的照射,一些电子在吸收了能量以后,可以挣脱原子核的束缚,形成自由电子,从而参与导电,这个现象叫做本征激发或者热激发。自由电子产生的同时,在原来的共价键中留下一个空位,称为空穴,我们称激发的电子和空穴为电子空穴对。

外加的能量越高,激发的电子越多,产生的空穴也越多。

与本征激发相反的现象叫做复合,自由电子填到空穴里重新形成共价键。在一定的温度或者光照下,本征激发和复合是同时进行的,达到了动态平衡,此时电子空穴对的浓度是稳定的。

常温下也就是大概 300K 的时候,常见的半导体电子空穴对浓度如下:

本征半导体的导电机制

本征半导体的导电是一个动态平衡的过程,电子带负电,空穴带正电,而电子才是真正发生粒子运动的。我们将自由电子和空穴称为载流子:

载流子位置运动方式物理本质电流方向
自由电子导带逆电场方向漂移真正的粒子移动与电场相反
空穴价带顺电场方向漂移价电子依次填补空位的等效运动与电场相同

所以半导体里的 总电流 = 电子流 + 空穴流。

总的来说 本征半导体的导电性取决于外加能量,温度变化和光照变化都会影响到本征半导体的导电性。

杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素以后的半导体称为 杂质半导体。

杂质半导体有两种,N 型半导体和 P 型半导体。

  • N 型半导体是给本征半导体掺入五价杂志元素,例如掺入磷元素、砷元素等,掺入五价元素就多出了自由电子,于是我们说,N 型半导体里面自由电子是多数载流子,而空穴是少数载流子。
  • P 型半导体是给本征半导体掺入三价杂质元素,例如掺入硼元素、镓元素等,掺入三价元素后,自由电子就少了,于是我们说,P 型半导体里面自由电子是少数载流子,而空穴是多数载流子。

还有一个概念就是施主与受主离子:

  • 施主离子 = “捐出”电子后留下的正离子(对应 N 型半导体)
  • 受主离子 = “接受”电子后形成的负离子(对应 P 型半导体)
特征施主离子 (Donor Ion)受主离子 (Acceptor Ion)
杂质类型V 族元素(如磷P、砷As、锑Sb)III 族元素(如硼B、铝Al、镓Ga)
价电子数5 个(比硅/锗多 1 个)3 个(比硅/锗少 1 个)
替代位置取代晶格中的四价硅/锗原子取代晶格中的四价硅/锗原子
成键情况4 个电子参与共价键,多余 1 个电子只有 3 个电子成键,缺少 1 个电子(空位)
电离过程多余电子挣脱束缚 → 成为自由电子从价带捕获一个电子 → 产生一个空穴
离子电荷带正电 (+)带负电 (-)
是否可移动固定不动(被束缚在晶格位置)固定不动(被束缚在晶格位置)
对应半导体N 型半导体P 型半导体