半导体常见的晶体结构

决定半导体材料的基本物理特性，即原子或离子的长程有序的周期性排列。按空间点阵学说，晶体的内在结构可概括为一些相同点在空间有规则地作周期性的无限分布。点子的总体称为点阵，通过点阵的结点可作许多平行的直线组和平行的晶面组。这样，点阵就成网格，称为晶格。由于晶格的周期性，可取一个以格点为顶点、边长等于该方向上的周期的六面体作为重复单元，来概括晶格的特征。固体物理学取最小的重复单元，格点只在顶角上。这样的重复单元只反映晶体结构的周期性，称为原胞。结晶学取较大的重复单元，格点不仅在顶角上，还可在体心和面心上，这样的重复单元既反映晶格的周期性，也反映了晶体的对称性。

常见的半导体的晶体结构有金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型和氯化钠型4种，如图和表所示。在三元化合物半导体中有部分呈黄铜矿型结构，金刚石型、闪锌矿型和氯化钠型结构可看成是由两套面心立方格子套构而成。不同的是，金刚石型和闪锌矿型是两套格子沿体

对角线的1/4方向套构，而氯化钠型则是沿1/2[100]方向套构金刚石晶格中所有原子同种，而闪锌矿和氯化钠晶格中有两种原子闪锌矿型各晶面的原子排布总数目与金刚石型相同，但在同一晶面或同一晶向上，两种原子的排布却不相同。纤锌矿型属六方晶系，其中硫原子呈六方密堆集，而锌原子则占据四面体间隙的一半，与闪锌矿相似，它们的每一个原子场处于异种原子构成的正四面体中心。但闪锌矿结构中，次近邻异种原子层的原子位置彼此错开60°，而在纤锌矿型中，则是上下相对的。采取这种方式使次近邻异种原子的距离更近，会增强正负离子的相互吸引作用，因此，纤锌矿型多出现于两种原子间负电性差大、化学键中离子键成分高的二元化合物中。

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。

半导体材料，最基本的有三种类型：本征半导体、P型半导体、N型半导体。

本征半导体：材料完全纯净，不含杂质，晶格完整，因为内部的共价键被本征激发（部分价带中的电子越过禁带进入空带，形成能在外部电场下自由移动的电子和空穴）而导电。想要理解半导体的导电特性就必须要有这么一个电子-空穴对的概念，简单来讲，电子导电就是自由电子（带负电）的移动，空穴导电就是共价键中的电子移动到附近的空穴中，表现为空穴（带正电）在移动。

N型半导体：向本征半导体中掺杂一定量的磷等五价元素的杂质（施主杂质），由于原子最外层电子数比硅等材料要多，在形成共价键之后还会多余出一个电子，这个电子的激发能量远比价态的电子要低，所以N型半导体材料导电以自由电子为主（还是存在少量空穴），这个过程中材料仍为电中性。

在不同半导体材料的接触面上，由于多子浓度不同产生扩散运动，P型材料中的空穴和N型材料中的电子会形成电子-空穴对（电中性），P型材料因失去空穴（接受电子）而带上负电，N型材料因失去电子而带上正电，这样子在半导体内部会形成一个空间电荷区。

空间电荷区的电场方向与多子的扩散运动方向相反，抑制多子的扩散，同时这个电场将使N型区的少子空穴向P型区漂移，使P型区的少数载流子电子向N型区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。

从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。

最后扩散与漂移达到动态平衡，形成了一个离子薄层，即PN结。

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