今日热文：半导体基础

自然界的万物都有各自独特的特性，我们人类能做的也只是探索这些物体的特性，并利用它为自己服务。在我们电子领域，根据物体的导电特性，通常可以分为：导体，绝缘体，以及处于导体和绝缘体之间的半导体。我们今天要聊的就是这个特殊的材料——半导体。半导体几乎撑起了现代电子技术的全部，二极管，晶体管以及IC都是由半导体材料制成。在可预见的未来，它们是大多数电子系统的关键元件，服务于消费和工业市场的通信、信号处理、计算和控制应用。

半导体材料简介

下图是来自公开网络的一份关于材料导电特性的示意图，材料的导电特性可以用电阻率ρ，或者电导率σ，这两个希腊字母用的也特别到位，电导率σ， 就是电阻率ρ的倒数。绝缘体具有比较低的电导率，比如玻璃或者石英，而导体的电导率则比较高，比如银，铜，铝，金。在这里提醒一下大家，金虽然贵，但是电导率并不好，最好的是银，越纯越好，其次是紫铜，越纯越好，黄铜就一般般了，另外有些导体在某种环境下，会变得更加导电，称为超导体。半导体的导电率处于绝缘体和导体之间，通常对温度、光照、磁场和微量杂质原子很敏感，比如每百万硅原子添加约 10 个硼原子（称为掺杂剂）可以将其电导率提高一千倍，常用的半导体材料比如硅Si，锗Ge，以及现在应用比较广的氮化镓，砷化镓等。

【资料图】

半导体材料的研究始于19世纪，这个时候还有一个重要的俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫总结整理的元素周期表。

这个还要感谢老朱家的贡献了中国的元素周期表。

元素半导体是由单种原子组成的半导体，例如硅（Si），锗（Ge）和锡（Sn）列在元素周期表的IV列，硒（Se）和碲（Te）列在元素周期表的VI列。然而，有许多由两种或多种元素组成的化合物半导体。例如，砷化镓 (GaAs) 是一种二元 III-V 化合物，它是来自 III 列的镓(Ga) 和来自 V 列的砷(As) 的组合。三元化合物可以由来自三个不同列的元素形成——例如，碲化铟汞（HgIn 2 Te 4)，一种 II-III-VI 化合物。它们也可以由来自两列的元素形成，例如砷化铝镓 (Al x Ga 1 - x As)，它是一种三元 III-V 化合物，其中 Al 和 Ga 都来自 III 列，下标x相关两种元素的组成从 100% Al ( x = 1) 到 100% Ga ( x = 0)。纯的硅是集成电路应用最重要的材料，而 III-V 二元和三元化合物对发光最重要。在 1947 年双极晶体管发明之前，半导体仅用作两端器件，例如整流器和光电二极管。在 1950 年代初期，锗是主要的半导体材料。然而，事实证明它不适用于许多应用，因为由该材料制成的器件仅在适度升高的温度下就表现出高泄漏电流。自 1960 年代初以来，硅已成为迄今为止使用最广泛的半导体，几乎取代了锗作为器件制造材料。造成这种情况的主要原因有两个：(1) 硅器件表现出低得多的漏电流，以及 (2)二氧化硅(SiO 2)，它是一种高质量的绝缘体，很容易作为硅基器件的一部分。因此，硅技术已经变得非常先进和普及，硅器件占全球销售的所有半导体产品的 95% 以上。许多化合物半导体具有某些特定的电学和光学特性，优于它们在硅中的对应物。这些半导体，尤其是砷化镓，主要用于光电和某些射频 (RF) 应用。半导体材料的电特性半导体材料也可以分为两类：纯半导体材料和参杂半导体材料。极纯形式的半导体被称为本征半导体。但是这种纯形式的传导能力太低了。为了增加本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。这种添加杂质的过程称为掺杂。现在，这种掺杂的本征半导体被称为外在半导体。

纯半导体材料主要由硅和锗，是一种单晶材料。，原子以三维周期性方式排列。该图的A 部分显示了包含可忽略不计杂质的本征（纯）硅晶体的简化二维表示。晶体中的每个硅原子都被四个最近的邻居包围。每个原子有四个外轨道上的电子，并与它的四个邻居共享这些电子。每个共享电子对构成一个共价键。电子和两个原子核之间的吸引力将两个原子结合在一起。对于孤立的原子（例如，在气体而不是晶体中），电子只能具有离散的能级。然而，当大量原子聚集在一起形成晶体时，原子之间的相互作用导致离散的能级扩散到能带。当没有热振动时（即在低温下），绝缘体或半导体晶体中的电子将完全填满许多能带，而其余的能带则为空。最高的填充带称为价带。下一个能带是导带，它与价带之间有一个能隙（晶体绝缘体中的间隙比半导体大得多）。这个能隙，也称为带隙，是一个指定晶体中电子不能拥有的能量的区域。大多数重要的半导体的带隙在 0.25 到 2.5电子伏特之间(eV)。例如，硅的带隙为 1.12 eV，砷化镓的带隙为 1.42 eV。相比之下，良好的结晶绝缘体金刚石的带隙为 5.5 eV。

在低温下，半导体中的电子被束缚在晶体中各自的能带中。因此，它们不能用于导电。在较高温度下，热振动可能会破坏一些共价键，从而产生可以参与电流传导的自由电子。一旦电子离开共价键，就会出现与该键相关的电子空位。该空位可能被相邻的电子填充，这导致空位位置从一个晶体位置移动到另一个晶体位置。这种空位可以被视为一种虚构的粒子，被称为“空穴”，它携带正电荷并沿与电子相反的方向移动。当电场应用于半导体时，自由电子（现在位于导带中）和空穴（留在价带中）都穿过晶体，产生电流。材料的电导率取决于每单位体积的自由电子和空穴（电荷载流子）的数量以及这些载流子在电场影响下移动的速率。在本征半导体中存在相等数量的自由电子和空穴。然而，电子和空穴具有不同的迁移率。也就是说，它们在电场中以不同的速度运动。例如，对于室温下的本征硅，电子迁移率为 1,500 平方厘米/伏秒（cm 2/V·s)——即，在每厘米 1 伏特的电场下，电子将以每秒 1,500 厘米的速度移动——而空穴迁移率为 500 cm 2 /V·s。特定半导体中的电子和空穴迁移率通常随着温度升高而降低。

本征半导体的导电性在室温下非常差。为了产生更高的导电性，可以有意引入杂质（通常浓度为百万分之一的主体原子）。这就是所谓的掺杂, 一种 增加 电导率 的 工艺 , 尽管 有 一定 的流动性损失. 例如，如果一个硅原子被一个具有五个外部电子的原子取代，例如砷（参见图中的 B 部分），则其中四个电子与四个相邻的硅原子形成共价键。第五个电子变成传导电子，捐赠给导带。硅变成了一个n型半导体，因为添加了电子。砷原子是供体。类似地，图中的 C 部分表明，如果用一个具有三个外层电子的原子（例如硼）代替一个硅原子，则接受一个额外的电子，在硼原子周围形成四个共价键，一个带正电的空穴是在价带中产生。这产生了p型半导体，其中硼构成受体。

在p侧，空穴构成主要载流子，因此被称为多数载流子。p侧也会存在少量热产生的电子；这些被称为少数载流子。在n另一方面，电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。结附近是没有自由电荷载流子的区域。该区域称为耗尽层，表现为绝缘体。

p - n 结最重要的特性是它们可以整流。该图的 A 部分显示了典型硅p - n结的电流-电压特性。当向p - n结施加正向偏压时（即，相对于n侧向p侧施加正电压，如图的 B 部分所示），多数电荷载流子在结上移动使大电流可以流动。然而，当施加反向偏压时（如图中的 C 部分），由杂质引入的电荷载流子沿相反方向远离结点移动，只有很小的漏电流流动。随着反向偏压的增加，泄漏电流保持非常小，直到达到临界电压，此时电流突然增加。这种电流的突然增加被称为结击穿，如果产生的功率耗散被限制在安全值，通常是一种非破坏性现象。施加的正向电压通常小于 1 伏，但称为击穿电压的反向临界电压可以从小于 1 伏到数千伏不等，具体取决于结和其他器件的杂质浓度参数。P-N 结的应用构成了现在半导体的基础，尽管现在已经有更多的结被发明，比如 PNP或者NPN，但是依然无法动摇 PN 结在现在电子中的应用。

参考文献