介绍下半导体的掺杂问题?

介绍下半导体的掺杂问题?,第1张

杂质半导体: 通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。 P型半导体的导电特性:掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。结论:多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。 PN结的形成:将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点:具有单向导电性。半导体杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主,相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多(图2)。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时,杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子,因而存在一个空位,与此空位相应的能量状态就是杂质能级,通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位,使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子(图3)。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时,在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小,半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体,导电载流子主要是导带中的电子,属电子型导电,称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电,称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对,故N型半导体中可存在少量导电空穴,P型半导体中可存在少量导电电子,它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中,少数载流子常扮演重要角色。 半导体掺杂半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中,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(doping)。掺杂进入本质半导体(intrinsic semiconductor)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。而掺杂过的半导体则称为外质半导体(extrinsic semiconductor)。半导体掺杂物哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物(dopant)需视两者的原子特性而定。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体(donor)与受体(acceptor)。施体原子带来的价电子(valence electrons)大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体原子微弱地束缚住,这个电子又称为施体电子。和本质半导体的价电子比起来,施体电子跃迁至传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。虽然施体电子获得能量会跃迁至传导带,但并不会和本质半导体一样留下一个电洞,施体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-type semiconductor),n代表带负电荷的电子。和施体相对的,受体原子进入半导体晶格后,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电洞。受体掺杂后的半导体称为p型半导体(p-type semiconductor),p代表带正电荷的电洞。以一个硅的本质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(boron)掺杂至硅半导体中时,硼扮演的即是受体的角色,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(phosphorus)掺杂至硅半导体时,磷扮演施体的角色,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体与受体,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,受体带来的电洞浓度较高或是施体带来的电子浓度较高,亦即何者为此外质半导体的“多数载子”(majority carrier)。和多数载子相对的是少数载子(minority carrier)。对于半导体元件的 *** 作原理分析而言,少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

锗、硅、硒、砷化镓及许多金属氧化物和金属硫化物等物体,它们的导电能力介于导体和绝缘体之间,叫做半导体。

半导体具有一些特殊性质。如利用半导体的电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件(热敏电阻);利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件,像光电池、光电管和光敏电阻等。

半导体还有一个最重要的性质,如果在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质测其导电能力将会成百万倍地增加。利用这一特性可制造各种不同用途的半导体器件,如半导体二极管、三极管等。

把一块半导体的一边制成P型区,另一边制成N型区,则在交界处附近形成一个具有特殊性能的薄层,一般称此薄层为PN结。图中上部分为P型半导体和N型半导体界面两边载流子的扩散作用(用黑色箭头表示)。中间部分为PN结的形成过程,示意载流子的扩散作用大于漂移作用(用蓝色箭头表示,红色箭头表示内建电场的方向)。下边部分为PN结的形成。表示扩散作用和漂移作用的动态平衡。

供体与受体的区别:1、供体:指在化学反应过程中,能提供某一化学基团的物质。1)指在化学反应过程中,能提供某一化学基团的物质(化合物)。例如:L-氨基酸与α-酮酸之间的氨基转移反应,L-氨基酸是氨基的供体。2)提供基因DNA片段、器官、组织或其他细胞输送给另一个个体的生物。3)在半导体中,若杂质或缺陷能级上有电子占据时,杂质原子或缺陷是电中性的,这种杂质或缺陷叫做施主,其能级叫做施主能级。施主能级上的电子,如获得一定能量可进入导带;这个能量叫做施主的电离能,也就是施主能级在导带底下方的能量距离。电离能小的施主能级是浅施主能级,电离能大的是深施主能级。磷、砷、锑是锗、硅半导体中的浅能级施主杂质。浅能级施主杂质叫n型杂质。深能级施主杂质可能成为空穴的陷阱或复合中心。受体 :能与细胞外专一信号分子(配体)结合引起细胞反应的蛋白质。分为细胞表面受体和细胞内受体。受体与配体结合即发生分子构象变化,从而引起细胞反应,如介导细胞间信号转导、细胞间黏合、细胞胞吞等细胞过程。


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