1、半導體材料的綜述摘要：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數的物質稱為半導體：室溫時電阻率約在1m·cm1G·cm之間。溫度升高時電阻率則減小。半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體；化合物半導體包括第和第族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第和第族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態半導體外，還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。半導體還可分為本征半導體和雜質半導體。關鍵詞：半導體的發展；半導體的特性；半導體雜質；能帶結

2、構 引言：半導體早在十九世紀就最先被英國科學家發現，他發現半導體的電阻隨著溫度的變化并不同其他一般的金屬，半導體的電阻與金屬相反它隨著溫度的升高而減小，隨后法國科學家發現了半導體和電解質接觸現成的結，在光照下出現了伏特效應，在不到三十年后德國科學家有發現了半導體第三個特性即，半導體的整流效應。正文：1.1半導體的發展半導體的發現實際上可以追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。不久，1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接

3、觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特征。1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，(霍爾效應的余績四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先后被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，

4、也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。1.2半導體五大特性半導體的特性：伏安特性曲線摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質元素，導電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。共價鍵結構：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構成共價鍵。自由電子的形成：在常溫下，少數的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。空穴：價電子掙脫共

5、價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產生定向移動，形成電子電流。空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產生定向移動），形成空穴電流。本征半導體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。載流子：運載電荷的粒子稱為載流子。導體電的特點：導體導電只有一種載流子，即自由電子導電。本征半導體電的特點：本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。本征激發：半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本征激發。復合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現象稱為復合。動態

6、平衡：在一定的溫度下，本征激發所產生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數目相等，達到動態平衡。載流子的濃度與溫度的關系：溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。結論：本征半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩定性差的原因。雜質半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三

7、價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。多數載流子：P型半導體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。少數載流子：P型半導體中，自由電子為少數載流子，簡稱少子。受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。P型半導體的導電特性：它是靠空穴導電，摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能也就越強。N型半導體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半導體。多子：N型半導體中，多子為自由電子。少子：N型半導體中，少子為空穴。施子原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。N型半導體的導電特性：摻入的雜質越多，多子的

8、濃度就越高，導電性能也就越強 。在它們的交界面就形成PN結。PN結的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在無外電場和其它激發作用下，參與擴散運動的多子數目等于參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產生的運動稱為擴散運動。空間電荷區：擴散到P區的自由電子與空穴復合，而擴散到N區的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動，稱為空間電荷區 。 1.3半導體摻雜哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物需視兩者的原子特性而定。一般而言，

9、摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施主與受主。施主原子帶來的價電子大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。和本質半導體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子后只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳導的半導體稱為n型半導體，n代表帶負電荷的電子。和施主相對的，受主原子進入半導體晶格后，因為其價電子數目比半導體原子

10、的價電子數量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導體稱為p型半導體，p代表帶正電荷的電洞。以一個硅的本質半導體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼摻雜至硅半導體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷摻雜至硅半導體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導體成為n型半導體。一個半導體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜后的半導體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的“多數載子”

11、。和多數載子相對的是少數載子。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。摻雜物濃度對于半導體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態下，一個未經摻雜的本質半導體，電子與電洞的濃度相等，通常摻雜濃度越高，半導體的導電性就會變得越好，原因是能進入傳導帶的電子數量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導體會因為導電性接近金屬而被廣泛應用在今日的集成電路制程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在n或是p后面附加一上標的“+”號，例如n代表摻雜濃度非常高的n型半導體，反之例如p則代表輕摻雜的p型半導體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經高到讓半導體為導體，摻雜物的濃

12、度和原本的半導體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個有晶格結構的硅本質半導體而言，原子濃度大約是5×10 cm，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個“簡并半導體”。重摻雜的半導體中，摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導體制程中，摻雜濃度都會依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。摻雜之后的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方產

13、生新的能階。假設摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化。摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。1.4能帶結構半導體中的電子所具有的能量被限制在基態與自由電子之間的幾個“能帶”里，在能帶內部電子能量處于準連續狀態，而能帶之間則有帶隙相隔開，電子不能處于帶隙內。當電子在基態時，相當于此電子被束縛在原子核附近；而相反地，如果電子具備了自由電子所需要的能量，那么就能完全離開此材料。每個能帶都有數個相對應的量子態，而這些量子態中，能量較低的都已經被電子所填滿。這些已經被

14、電子填滿的量子態中，能量最高的就被稱為價電帶。半導體和絕緣體在正常情況下，幾乎所有電子都在價電帶或是其下的量子態里，因此沒有自由電子可供導電。半導體和絕緣體之間的差異在于兩者之間能帶間隙寬度不同，亦即電子欲從價帶跳入導電帶時所必須獲得的最低能量不一樣。通常能帶間隙寬度小于3電子伏特者為半導體，以上為絕緣體。在絕對零度時，固體材料中的所有電子都在價帶中，而導電帶為完全空置。當溫度開始上升，高于絕對零度時，有些電子可能會獲得能量而進入導電帶中。導電帶是所有能夠讓電子在獲得外加電場的能量后，移動穿過晶體、形成電流的最低能帶，所以導電帶的位置就緊鄰價電帶之上，而導電帶和價電帶之間的差距即是能帶間隙。通

15、常對半導體而言，能帶間隙的大小約為1電子伏特上下。在導電帶中，和電流形成相關的電子通常稱為自由電子。根據包利不相容原理，同一個量子態內不能有兩個電子，所以絕對零度時，費米能級以下的能帶包括價電帶全部被填滿。由于在填滿的能帶內，具有相反方向動量的電子數目相等，所以宏觀上不能載流。在有限溫度，由熱激發產生的導電帶電子和價電帶空穴使得導電帶和價電帶都未被填滿，因而在外電場下可以觀測到宏觀凈電流。在價電帶內的電子獲得能量后便可躍升到導電帶，而這便會在價帶內留下一個空缺，也就是所謂的“空穴”。導電帶中的電子和價電帶中的空穴都對電流傳遞有貢獻，空穴本身不會移動，但是其它電子可以移動到這個空穴上面，等效于空穴本身往反方向移動。固體材料內的電子能量分布遵循費米-狄拉克分布。在絕對零度時，材料內電子的最高能量即為費米能階，當溫度高于絕對零度時，費米能階為所有能階中，被電子占據概率等于0.5的能階。半導體材料內電子能量分布為溫度的函數也使其導電特性受到溫度很大的影響，當溫度很低時，可以跳到導電帶的電子較少，因此導電性也會變得較差。結束語：無論