半导体的基本理论

1、论文题目：半导体的基本理论 课程名称： 功能材料概论 专业名称： 应用化学 学 号： 1109341009 姓 名： 成 绩： 2014年3月30日半导体的基本理论摘要：半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入导带中。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第和第族化合物。随着时代的发展，半导体的市场需求已经步入了黄金时期。关键词:半导体；元素半导体；磁性材料；半导体元件；能带理论The Basic Theory of

2、SemiconductorsAbstract：Differences between the semiconductor and the insulator can be different from the width of the main two . Insulator band width than the semiconductor , an insulator means of the valence band of the carrier must be higher than the energy to jump in the semiconductor energy band

3、 into the conduction band .Many semiconductor materials, according to the chemical composition of the semiconductor elements can be divided into two categories, and compound semiconductors . Germanium and silicon is the most commonly used semiconductor element ; first compound semiconductor comprise

4、s a first aromatic compound . With the development of the times , the needs of the semiconductor market has entered a golden age .Key words：semiconductors；element semiconductor；magnetic material；semiconductor components；energy band theory引 言半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常

5、巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。1 半导体的定义 材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能

6、量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。材料中载流子（carrier）的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”（III-A、V-A族元素）来控制。如果我们在纯硅中掺杂（doping）少许的砷或磷（最外层有5个电子），就会多出1个自由电子，这样就形成N型半导体；如果我们在纯硅中掺入少许的硼（最外层有3个电子），就反而少了1个电子，而形成一个空穴（hole），这样就形成P型半导体（少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷）。2 半导体的分类 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。按照其组分和制备方法不同又分为本征半导体、P型

7、半导体、N型半导体、磁性半导体1等。2.1 元素半导体元素半导体材料在元素周期表中的位置说明了半导体材料的性质与物质结构，特别是原子结构的关系，它们都居于周期表的A族。典型的半导体材料居于一A族，它们都具有明显的共价键；都以金刚石型结构结晶；它们的带隙宽度随原子序数的增加而递减，其原因是其键合能随电子层数的增加而减小。V-A族都是某一种同素异形体具有半导体性质，其带隙宽度亦随原子序数的增加而减小。2.2 化合物半导体通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物2(如III-

8、V族、II-VI族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物如：砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等，其次是二元和多元化合物，如镓铝砷、铟镓砷磷、磷砷化镓、硒铟化铜及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。2.3 本征半导体本征半导体完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体

9、或I型半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。2.4 P型半导体 P型半导体，也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。掺入的杂质越多，电子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。2.5 N型半导体 在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电，由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性3。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。2.6 磁性半导体 磁性半导体，顾名思义，指同时具有磁性和半导体性质的材料。通常所说的磁性半导体，即狭义的磁性半导体，指同时

10、具有磁性和半导体性质的单一相的材料；而广义上的磁性半导体包括了多相材料以及复合材料，并且要求磁性相与半导体相之间尊在耦合1。铁磁金属与半导体之间加入绝缘势垒层或者使其形成非欧姆接触，实现极化载流子以遂穿方式注入到半导体中4。即通过掺杂过渡金属元素到III-A族、II-A族和IV族元素半导体材料中实现的。通过磁性离子极化的d电子与导电载流子相耦合实现载流子的极化，并保留元半导体的带隙。3 半导体的掺杂半导体之所以能广泛应用在今日的数字世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂。掺杂进入本征半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体

11、则称为杂质半导体。3.1 掺杂物 一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施主与受主。施主原子带来的价电子多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施主原子微弱地束缚住，这个电子又称为施主电子。和本征半导体的价电子比起来，施主电子跃迁至导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施主电子获得能量会跃迁至导带，但并不会和本征半导体一样留下一个空穴，施主原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体，n代表带负电荷的电子。和施主相对的，受主原子进入半导

12、体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为空穴。受主掺杂后的半导体称为p型半导体，p5代表带正电荷的空穴。以一个硅的本征半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受主的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷掺杂至硅半导体时，磷扮演施主的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受主带来的空穴浓度较高或是施主带来的电子浓度较

13、高，亦即何者为此外质半导体的多数载流子。和多数载流子相对的是少数载流子。对于半导体元件的工作原理分析而言，少数载流子在半导体中的行为有着非常重要的地位。3.2 掺杂物对半导体能带结构的影响掺杂之后的半导体能带会有所改变。依照掺杂物的不同，本征半导体的能隙之间会出现不同的能阶。施主原子会在靠近导带的地方产生一个新的能阶，而受主原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂硼原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子伏特，远小于硅本身的能隙1.12电子伏特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化。掺杂物对于能带结构的另一个重大影响是改变了费米能阶的位置。在热平衡的状态下费

14、米能阶依然会保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n结的能带会弯折，起因是原本p型半导体和n型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n结后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成无论是p型或是n型半导体的导带或价带都会被弯曲以配合界面处的能带差异。3.3 掺杂物对载流子的影响 掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载流子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本征半导体，电子与空穴的浓度相等，即。其中是半导体内的电子浓度、则是半导体的空穴浓度，则是本征半导体的载流子浓度。会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，大约是1.5×1010 cm-3。 通常

15、掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在或是后面附加一上标的“+”号，例如代表掺杂浓度非常高的n型半导体，反之例如则代表轻掺杂的p型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体退化为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本征半导体而言，原子浓度大约是5×1022 cm-3，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在1013 cm-3至1018 cm-3之间。掺杂浓度在1018 cm

16、-3以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个简并半导体。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。在半导体制程中，掺杂浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。4 半导体元件半导体器件是利用半导体材料的特殊电特性来完成特定功能的电子器件。半导体的导电性介于良导体和绝缘体之间，这些半导体材料通常是硅、锗或砷化镓，并经过格式特定的掺杂，产生P型或N型半导体，做成整流器、振动器、放大器、激光器6等元件或设备。4.1 二极管二极管是具有阳极和阴极两端子，电流只能单向流动。即电流可以从阳极流向阴极，不能从阴极流向阳极，这种特性被称之为

17、整流作用。半导体二极管中，主要有两大类：p-n结型二极管和肖特基效应型二极管。以P-N结型二极管为例：P-N结二极管是N型半导体和P型半导体互相结合所构成，p-n结去彼此的电子和空穴相互抵消，造成主要载流子不足，形成空乏层。空乏层的两端存在电位差。但是如果让两端的载流子再结合，则两端的电位差则变成零。4.2 场效应晶体管(field-effect transistor,FET)场效应晶体管是一种通过电场效应控制电流的电子元件。它依靠电池去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某类型载流子的沟道的导电性。4.3 太阳能电池 太阳电池的基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的，这种结构称为一个P

18、N结。当太阳光照射到一般的半导体（例如硅）时，会产生电子-空穴对7，但它们很快的便会结合，并且将能量转换成光子photon或声子phonon（热），光子和能量相关，声子则和动量相关。在P-N半导体接合处，由于有效载子浓度不同而造成的扩散，将会产生一个由N指向P的内建电场，因此当光子被接合处的半导体吸收时，所产生的电子将会受电场作用而移动至N型半导体处，电洞则移动至P型半导体处，因此便能在两侧累积电荷，若以导线连接，则可产生电流。4.4 氧化物半导体逻辑门 逻辑门是在集成电路上的基本组件。简单逻辑门可由半导体组成，这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信

19、号。高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。4.5 GaAlAs/GaAs 半导体功率放大激光器在基本构造上，它属于半导体的P-N接面，但激光二极管是以金属包层从两边夹住发光层（活性层），是“双异质接合构造”。在N-GaAs 衬底上用MBE 法生长GaAlAs/ GaAs的增益导引氧化物条形LD 外延片。其各层结构依次为:下欧姆接触层N+ -GaAs、下限制层N-GaAlAs、有源层P-GaAs、上限制层P-GaAlGaAlAsAs、上欧姆接触层P-GaAs。在N-GaAlAs 层和P-GaAs 层之间构成异质结, 在价带形成凹口限制空穴继续向N-G

20、aAl-GaAlAsAs 扩散; P-GaAs 层和P-GaAlAs 层之间构成异质结, 在导带形成凹口限制电子继续向P-GaAlAs 的进一步扩散, 使有源层P-GaAs 的载流子浓度大大提高, 使光增益达到最大。5 结 语通过以上的例子可看出，半导体在电子器件中无处不在。而半导体作为一门成长工业还将存在好几十年。参考文献：1 乔瑞敏.新型磁性半导体材料与金刚烃的软X射线光谱学研究 D.山东大学,2012:5-13.2 YE Zhi-cheng ,SHU Yong-chun ,CAO Xue,GONG Liang .Thermodynamic analysis of growth of ternary III-V semiconductor materials by molecular-beam epitaxy J.Transactions of Nonf