半导体基础知识

1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等

2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等

3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为10-3～109 Ω·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体特点：

1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。

2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。

2.1.2 本征半导体

1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。

硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：

外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的 。

2.本征半导体的共价键结构

本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：

硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图

3.共价键

共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度T=0°K（-273°C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电

基本的半导体器件主要有以下几种：pn结二极管，金属氧化物场效应晶体管（MOS）,双极晶体管（BJT）,结型场效应晶体管。pn结二极管结构：其中pn结二极管由n型半导体和p型半导体接触产生。工作原理：由于二者接触后产生由n型半导体指向p型半导体的内建电场，当外加电压由n型半导体指向p型半导体时进一步增强了其内建电场，因而其电流会很小，当外加电压由p型指向n型时，内建电场降低，电流可顺利通过pn结，形成单向导电的特性。MOS结构：主要由栅极，漏极及源极三部分构成。工作原理：通过栅极控制沟道载流子浓度实现对源极及漏极电流的控制。BJT结构：由发射极，基极，集电极构成。基本原理：通过控制发射极与基极之间的电压以及集电极与基电极之间的电压实现电流的放大，截至等效应。结型场效应晶体管：与MOS构成类似，不同点仅在于其栅极位于沟道的上下两侧。工作原理：上下栅极同时控制沟道的载流子浓度及沟道的宽度实现对电流的控制。

半导体原子规则排列成点阵状态。其最小单元叫作晶包，对锗来讲是小四面体，即金刚石结构。电子在晶体中为晶包所公有，形成能带结构，如图4-1-1所示。下面的能带称为价带，又称满带，平时被电子填满。中间是禁带（又称能隙）。上面是导带，平时没有电子（又称空带）。在价带以下还有更低能量的价带；在导带以上还有更高能量的导带。如果令Eg代表禁带宽度，Eg(金属)＜ Eg＜ Eg（绝缘体）。中间是半导体。在T＝0时，理想的半导体是无杂质的半导体，导带全空（无电子），价带全满，被电子充满，加上电压不导电，电阻率非常大。在T≠0时，热激发使价带电子跳到导带，电子都处在导带底层，空穴均处在价带上层，并且处于动平衡状态，激发的电子—空穴对数目等于复合电子—空穴对数目。这样的半导体叫作本征半导体。从能带模型看，产生电子—空穴对，破坏了一个原子的共价键，Eg就是该结合键的结合能：

式中　Ni——电子密度，与温度有关；Pi——空穴密度，与温度有关；K——波尔兹曼常数；T——绝对温度，°K；Eg——能隙（禁带宽度）；N ( T )——表示跃迁到某一状态的状态函数。

本征半导体：晶格结构完整，没有缺陷，没有杂质，电阻率极大，电子充满价带，绝对零度不导电。

本征半导体Si或Ge，掺杂少量的三价或五价元素，便改变了半导体的电性能。如五价的P、As加入到Si或Ge，P、As置换了Ge晶格点阵的Ge原子。因是五价，四个电子与周围Ge组成四组共价键，第五个电子与As结合不紧密，在热激发下跳到导带，留下正电荷在点阵上形成正电中心，这种杂质称为施主杂质。

如果掺杂少量三价B、Ga元素，去置换Si或Ge原子，它要从周围的Ge原子拉过来一个电子，组成四对共价键，即原来价带的一个电子跳入Ga固定能级形成负电中心，在价带中留下一个空穴，这种杂质称为受主杂质。施主杂质As给出一个电子，它一般靠近导带，也称为浅层杂质，距禁带0.03～0.05eV。受主杂质Ga接受一个电子，它一般靠近满带，也称为深层杂质。

单晶本身浓度为1022原子/cm3，这是本征半导体。杂质浓度为109～1010原子/cm3，为高纯锗作半导体探测器；杂质浓度为1011～1012原子/cm3，为特种半导体，作特种器件；杂质浓度为1012～1013原子/cm3，为一般半导体，作晶体管。

半导体分为N型半导体、P型半导体。N型半导体的电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体的电子是少数载流子，空穴是多数载流子。P型半导体与N型半导体结合在一起，接触面形成PN结。

1.载流子的寿命载流子寿命てe( h )越长越好，大约为300μs～1ms。对于一块完整的晶体，载流子迁移率与温度有关。当温度高时，晶格受热运动产生光学、声学振动，载流子在迁移过程中，可能发生碰撞而受阻力。反之亦然。载流子的迁移率μ与温度t关系曲线如图4-1-2所示。由于晶格点阵有空位，造成附近区点阵错乱，称为点缺陷；由于点阵错乱，引起点阵变形，称为线缺陷；面与面之间点阵错乱，即位错乱，引起的点阵畸变，称为面缺陷。由于上述三种缺陷产生了凸凹部分，使点阵的结合能发生改变，出现了能量的高低变化。能量低的地方被称为陷井。当载流子通过陷井时，把载流子陷进去，使载流子暂停一下，当得到适当机会后它再跃出。由于掺杂质后，施主杂质产生了正电荷中心，受主杂质产生了负电荷中心。有电荷中心就产生了库仑电场，当载流子经过库仑电场时，使其暂停一下，当得到适当机会，把它放出，这种电荷中心称为捕捉中心。当被电荷中心捕捉后，被进一步陷落于价带中，与价带中的一个空穴复合，使载流子消失，这种现象称为复合。载流子的寿命与陷井、捕捉、复合三种现象有很大关系。一般情况下，温度低迁移率大，载流子寿命长。电子—空穴对由产生到消失，所用时间称为载流子寿命：

式中　てe（h）——载流子寿命；μe（h）——载流子迁移率；λ——载流子的平均自由行程；?——受陷落截面；P——陷井密度。

对于厚度为1cm的耗尽层，由于载流子的损失，能量谱加宽0.1%。

2.载流子的平均自由行程在没有外界电场的情况下，电子—空穴对从产生到消失，所走的平均距离，称为载流子的平均自由行程。载流子的平均自由行程与陷井的密度、掺杂质的种类有关。陷井密度小，受陷落截面小，λ大。氧和铜在锗晶体中特别容易扩散。如果本征半导体在空气中暴露1min，就产生一个氧化层使表面造成破坏，导致漏电流增大。对于半导体，漏电流越小越好，漏电流与半导体制造工艺有很大关系。晶体表面清洁，漏电流就小，一般小于10-10A。

载流子的浓度随时间变化：

式中　N0exp——初始载流子密度；Nt——载流子随时间变化密度。

3.载流子的收集率当γ量子入射到本征区后，γ量子由于能量损失，便产生一定数量的电子—空穴对，在外界电场的作用下，被收集到阳极，产生电流脉冲，这种收集如果是完全的话，电流脉冲幅度达到极大值。收集载流子多少称为收集率。收集率大小与半导体制造工艺、材料、体积大小，本征区宽度有关；从本质上讲，还取决于载流子迁移率、迁移长度、复合效应、陷井、捕捉中心密度大小；另外还和外加电场强弱有关。

4.对半导体探测器的要求气体探测器：在电离室中产生一个电子—离子对，大约需要能量ε≈30eV；半导体探测器：在晶体中产生一个电子—空穴对，大约需要能量ε≈3eV；闪烁体探测器：在光电倍增管光阴极上，产生一个光电子，大约需要能量ε≈300eV。

半导体探测器产生一个电子—空穴对需要的能量ε越小，能量分辨率越高。产生一个电子—空穴对需要能量/γ光子损耗能量= 0.3～0.35，γ光子损耗的能量主要消耗于晶格的光学、声学振动中。

5.载流子的漂移速度原子在外加电场作用下，在晶体内产生区域电场，电场有固定指向，电子—空穴对沿电场漂移，漂移速度ve( h)：

式中　μe（h）——电子一空穴对漂移率或漂移本领，也叫载流子迁移率。

在室温情况下，电子的漂移率μe=1300cm2/(V?s)，空穴的漂移率μ（h）=500cm2/（V?s）；在不同电场下，μe（h）不是常数，在1000～2000V/cm时，μe（h）达到极大值，为1×107～2×107cm2/(V?s)。

μe（h）是温度T的函数，温度为0时，μe（h）达到极大值，因为0时晶格无振动，电子—空穴对不受任何碰撞，运动无阻力。晶体的任何参杂和晶格的不完整性都会引起μe （h）的减小。

材料的电阻率表示为：

用式（4-1-4）计算的Pi与实际测得的Pi相差极大，因为在实际上没有真正无杂质的纯晶体。

电子密度Ni与温度关系较大，随温度变化快。Ni与μe（h）比较，μe（h）随温度变化较慢一些：

6.几种材料的禁带度

禁带宽度越宽，晶体的使用温度越高，0.66eV（低温）→1.45eV（室温）→2.8eV（高温）。锗原子序数为32，碘化钠原子序数为11、53，因此两个探测器探测效率相差不多。

7.Si和Ge的基本特性参数

8.产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35的原因γ量子入射到本征区，它并不是只与弗米表面起作用，还与满带下面能量更低的带起作用，交给满带能量，是随机性的。这样激发出来的电子，其能量有高、有低。这样一来，能量高的就可以跳到导带，还有的跳到更高导带上去。这时它是不稳定的，放出能量回到低能导带上；处在低能价带上的空穴也是不稳定的，它也要逐渐回到价带的最表层(空穴移动是通过上一层满带的电子来补偿的)，同时空穴也将放出能量。电子与空穴放出的能量大部分交给晶格，能量低的产生光学振动，能量高一点的作声学振动，所以点阵总是处于一种振动状态，γ量子损耗的能量不是完全都用于产生电子—空穴对，而是一大部分用于产生各种点阵的振动。产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35。产生一个电子—空穴对损耗的能量比禁带宽度大好几倍。

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