现代半导体的基本知识

导体、绝缘体和半导体

物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。

（1） 导体

导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。

（2） 绝缘体

高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。

（3） 半导体

半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

半导体的独特性能

金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。

半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：

光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强

热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；

掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；

半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。

N型半导体和P型半导体

(1) N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子),它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子(少子), 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图所示。

                                         N型半导体的结构示意图

(2)P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成;电子是少数载流子，由热激发形成。

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。

半导体的电阻率为10-3～10-9 ??cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图所示。

                                    P型半导体的结构示意图

杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度为:

n = p =1.4×1010/cm3

本征硅的原子浓度: 4.96×1022 /cm3

掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为：n=5×1016 /cm3

在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。

（1）Ｎ型半导体

在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子, 因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时, 还多余 1 个价电子。它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图１.1.４所示。

显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度, 即nn>>pn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体), 主要靠电子导电, 所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自由电子, 故称为施主杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。

（2）P型半导体

在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图所示。

（3）P 型、N 型半导体的简化图示

                        图为P 型、N 型半导体的简化图

N型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子，载流子数 电子数

P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数 空穴数

PN结

（1）PN 结的形成

1） 载流子的浓度差引起多子的扩散

在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1.17(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区。

2）复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）

空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。

3）扩散和漂移达到动态平衡

扩散电流等于漂移电流，总电流 I= 0。

在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。

1） PN结正向偏置

给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1..1.8所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于正向导通状态。

2．PN结反向偏置

给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.1.9所示。

由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。

注：少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。

结论：PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。

PN结的击穿特性

当加于PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。

1)雪崩击穿

在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。

2)齐纳击穿

在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；UBR <5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。

原文始发于微信公众号（冠晶科技）：现代半导体的基本知识