能做半导体的元素有什么?有什么化学性质?

能做半导体的元素有什么?有什么化学性质?,第1张

在元素周期表中金属和非金属的分界处,可以找到半导体材料,如硅、锗、镓等

另外还有半导体的特性:

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质.它的重要特性表现在以下几个方面:

(1)热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系.温度升高,半导体的电阻率会明显变小.例如纯锗(Ge),温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半.

(2)光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电;受到光照时,就变的容易导电了.例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧.半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”.利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等.

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能.目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管.

另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源.

(3)搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化.例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米.因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件.

半导体的导电能力取决于他们的纯度。完全纯净或本征半导体的导电能力很低,因为他们只含有很少的热运动产生的载流子。某种杂质的添加能极大的增加载流子的数目。这些掺杂质的半导体能接近金属的导电能力。轻掺杂的半导体可能在每十亿中只有一小部分。由于在硅中杂质的有限的固体溶解性,即使重掺杂的半导体每百万中也只有几百个杂质而已。由于半导体对于杂质的极度敏感性,很难制造真正的本征物质。因此实际上半导体器件几乎都是由掺杂物质制造的。

掺有磷的半导体就是一种掺杂半导体。假设硅晶体中已掺入少量的磷。磷原子进入了原本该由硅原子占有的晶体结构中的位置(见图上方)。磷,作为第5组元素,由5个价电子。磷原子共享了4个价电子给它周围的4个硅原子。4对电子对给了磷原子8个共享的电子。加上还有1个未共享的电子,一共由9个价电子。由于valence shell只能容纳8个电子,再也放不下第9个电子。这个电子就被磷原子抛了出来,自由地游荡在晶体结构中。每个添加进硅晶体结构中的磷原子能产生一个自由电子。

由于第9个电子的丢失,磷原子带正电。尽管这个原子离子化了,但它没有产生空穴。空穴是由满的valence shell中的电子的离开而产生的电子空缺。尽管磷原子带正电,但它有满的valence shell。因此离子化的磷原子带的电荷是不可移动的。

其他第5组的元素有和磷相同的效果。每个加入到晶体结构中的第5组的元素都会产生一个自由电子。因此以这种方式捐赠电子给半导体的元素被称为donors。砷,锑和磷在半导体工艺中被作为硅的donors。

在掺入大量的donors的半导体中占有优势的电子作为载流子。由于热运动产生的空穴还是有的,但他们的数量由于有大量的电子而减少。因为大量的电子增加了空穴捕获电子而复合的可能性。在N型硅中的大量的自由电子极大地增加了它的导电能力(并且极大地降低了它的电阻)。

掺入donors的半导体称作N型。重掺杂的N型硅有时也被标记为N+,轻掺杂的N型硅被标记为N-。加号和减号象征了donors的相对数目,而不是电荷。在N型硅中由于电子的数目非常大,他们被称为多数载流子。相似的,空穴在N型硅中被称为少数载流子。严格来说,本征半导体没有多数载流子也没有少数载流子,因为他们两种的数目是相等的。

掺硼的硅形成了另一种掺杂半导体。假设硅晶体结构中掺入了少量的硼原子(见图下方)。作为第3组的元素,硼有3个价电子。硼原子和它周围的4个硅原子共享价电子,但,由于它只有3个,它不能形成第4个键。结果,硼原子只有7个价电子。由此而形成的电子空缺就变成了一个空穴。这个空穴是可移动的,很快它就离开了硼原子。一旦空穴离开后,硼原子就由于在valence shell中多出来的一个电子而带负电。跟磷的情况一样,这个电荷是不可移动的,而且对导电能力没有影响。每个加入到硅中的硼原子能产生一个可移动的空穴。

其他的第3组的元素也能接受电子并产生空穴。技术困难阻止了其他第3组元素在硅的生产中的应用。但是,铟有时用来掺入锗。用作杂质的任何第3组元素都会从邻近的原子那里接受电子,所以这些元素被称为acceptors。掺有acceptors的半导体是P型的。重掺杂的P型硅有时被标记为P+,轻掺杂的P型硅被标记为P-。在P型硅中空穴是多数载流子,电子是少数载流子。半导体能同时掺入acceptors和donors。量大的杂质决定了硅的型号和载流子的浓度。因此能通过加入更多的donors来把P型半导体转换为N型半导体。同样的,也能通过加入更多的acceptors来把N型半导体转换为P型半导体。故意添加对立极性的杂质来转换半导体的型号被称为counterdoping。大多数现代的半导体是用有选择性的counterdoping硅来制作的,来形成一系列的P-和N-型区域。

如果采用极端的couterdoping,整个晶体结构将由相同比例的acceptor和donor原子组成。这两种原子的数目将会完全相等。最终的晶体只有很少的载流子,并表现为一个本征半导体。这种复合半导体确实存在。最熟悉的例子就是砷化镓,它是一种镓(第3组元素)和砷(第5组元素)的化合物。这种物质被称为III-V复合半导体。他们不仅有砷化镓,还有磷化镓,锑化铟和其他许多。许多III-V化合物是direct-bandgap半导体,有些被用来生产发光二极管和半导体激光。砷化镓也被用来生产非常高速的固态器件,包括集成电路。II-VI复合半导体由第2组和第6组元素的同比列混合物组成。硫化镉就是一种典型的用来生产光敏元件的II-VI化合物。其他II-VI化合物被用作阴极射线管中的磷。最后一种半导体包括IV-IV化合物,比如碳化硅,最近被小范围用来生产蓝光LEDs。

在所有的半导体中,只有硅有大批量,低成本生产集成电路的所需的物理特性。绝大多数固态器件是用硅生产的,其他半导体则只有很小的市场份额。


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