半导体的基本特性

半导体的基本特性自然界的物质依照导电程度的难易可大略分为三大类导体、半导

体和绝缘体顾名思义半导体的导电性介於容易导电的金属导体和不易导电的绝缘体

之间。半导体的种类很多有属於单一元素的半导体如矽Si和锗Ge也有由两种以上元素结合而成的化合物半导体如砷化镓GaAs和砷磷化镓铟GaxIn1-xAsyP1-y等。在室

温条件下热能可将半导体物质内一小部分的原子与原子间的价键打断而释放出自由

电子并同时产生一电洞。因为电子和电洞是可以自由活动的电荷载子前者带负电后

者带正电因此半导体具有一定程度的导电性。 电子在半导体内的能阶状况可用量子

力学的方法加以分析见图一。在高能量的导电带内Ec以上电子可以自由活动自由电子的能阶就是位於这一导电带内。最低能区Ev以下称为「价带」被价键束缚而无法

自由活动的价电子能阶就是位於这一价带内。导电带和价带之间是一没有能阶存在

的「禁止能带」或称能隙Eg在没有杂质介入的情况下电子是不能存在能隙里的。 在

绝对温度的零度时一切热能活动完全停止原子间的价键完整无损所有电子都被价键

牢牢绑住无法自由活动这时所有电子的能量都位於最低能区的价带价带完全被价电子占满而导电带则完全空著。价电子欲脱离价键的束缚而成为自由电子必须克服能

隙Eg提升自己的能阶进入导电带。热能是提供这一能量的自然能源之一。 以矽半

导体为例能隙Eg为1.1电子伏特在室温300 K下热能打断价键而产生电子和电洞的速

率与电子和电洞的再结合速率达到帄衡时电子的密度约为1.5×1010cm-3。因为矽的

原子密度约为5×1022cm-3可知因室温热能而被打断的价键数在比例上是微乎其微的。在电子被释放出来的同时必然留下一带正电荷的电洞在价带上见图一a。温度越

高被热能释放出来的电子和电洞的数量也越多。因此纯半导体又称本质半导体的导

电性遂因温度的升高而增大这与金属导体的电阻随温度的升高而变大的现象正好相

反。 我们再以矽半导体为例来探讨杂质的掺入对於半导体导电性的影响。矽是一种

四价的元素。如果我们将五价元素如最常用的磷P或砷As等掺入矽晶体内使其取代某些矽原子则该等五价元素多出的一个电子在矽晶结构内受到的束缚力非常薄弱在

室温时即已绝大部分游离而成自由电子。这类五价元素掺杂在矽晶内因为可提供自

由电子所以称为施体donor其能阶ED非常靠近导电带见图一b而游离后的施体离子

则带正电。这种半导体称为n型半导体其费米能阶EF比较靠近导电带。一般n型半导

体内的电子数量远比电洞为多是构成电流传导的主要载子或称多数载子。 同理我们如将三价元素如硼B等掺入矽晶体内则在其取代矽原子的位置后因为少了一个价电

子所以会从别处接受一个额外电子以便形成四个围绕在硼原子外的共价键结果在价

带内造成一个带正电的电洞。这类三价元素称为受体acceptor其能阶EA非常靠近价

带见图一c而接受一个额外电子后的受体离子则带负电。这种半导体称为p型半导体

其费米能阶E比较靠近价带。p型半导体内的电洞数量远比电子为多是电流传导的主要载子。 在实用上不论n型或p型杂质掺入浓度大多在10131019Cm-3之间。由於绝

大部分的施体或受体杂质在室温时均已游离所以n型半导体内的电子浓度大约等於

施体杂质浓度而p型半导体内的电洞浓度也大约等於受体杂质浓度。又因该等载子浓

度远比纯半导体内的电子、电洞浓度为大因此杂质掺入浓度的多寡实际上相当有效

地控制了半导体的导电性。常用矽晶半导体晶圆的电阻系数大多介於0.0011000Ω-cm之间约相当於载子浓度在10191013Cm-3的范围。 图一 说明 :半导

体能带图a本质半导体bn型半导体cp型半导体。 pn接陎 pn接陎是各种半导体元件不

可或缺的基本结构p型和n型半导体紧密结合见图二a则P型区的多数载子电洞必然向电洞浓度较低的n型区扩散同时n型区的多数载子电子也必然向电子浓度较低的p型

区扩散。结果在冶金接陎的左右两侧由於上述电洞和电子的离去而形成一空乏区。

空乏区内缺少电洞和电子却因电洞和电子的离去而分别留下带负电的游离受体和带正电的游离施体而在空乏区内建立一由n型区指向p型区的电场。在热帄衡状态下空

乏区的电场正好完全抵消p型区的电洞向n型区扩散以及n型区的电子向p型区扩散的

趋势。热帄衡状态下pn接陎的能阶如图二b所示费米能阶保持固定。n型端相对於p

型端高出一内建电位Vbi也就是界陎两侧的电位差但对电子而言n型端的能阶比p型

端的能阶低qvbi。 现在假设有一顺向偏压VF加於pn接陎。所谓顺向偏压系将偏压的正压端加於p型端负压端加於n型端。此时对电子而言p型端的各能阶向下移而n型

端的各能阶向上移使pn两端的能阶差距缩小为qVbi-VF。於是n型区的大量电子得以

越过降低了的能障进入p型区而p型区的电洞也得以大量进入n型区。注对於带正电荷

的电洞而言能阶图必须倒转愈下陎的能阶代表愈高的能量。这两股电子流和电洞流

共同构成一股由p型区经过接陎进入n型区的大电流称为顺向电流。反之假设加於pn接陎的为一反向偏压VR亦即偏压的正压端加於n型端负压端加於p型端则pn两端间

的能阶差距扩大为qVbiVR使得n型区的电子无法进入p型区p型区的电洞也无法进入n型区。然而从能阶图可知p型区的少数载子电子和n型区的少数载子电洞仍然可以不

费力的进入对方而构成一由n型区经过接陎进入p型区的小电流称为反向电流。反向

电流通常很小而且随反向偏压的增大而趋近於一饱和值。 理想pn接陎的电流电压关系可表示为IIoeqv/kT-1 式中Io为反向饱和电流q为基本电荷量k为波兹曼常数T为绝

对温度。电流电压特性如图二c所示。顺偏时v0极小电压即可导通大电流反偏时v0

仅有极小量的电流流通。 图二 说明 : apn接陎b热帄衡状态之能带图c电流电压特

性。 双极性电晶体 双极性电晶体是最重要的半导体元件之一於1947年在美国贝尔

实验室Bell Labs首先发明。以矽质pnp双极性电晶体为例其基本结构如图三a所示。基本上电晶体是在p型基底上先形成n型区然后在n区上形成p区。最后在p及n区还有

底部的p区经氧化层开窗后再作金属接触。图三b为理想化双极性电晶体的一维构造

可视为沿著图三a虚线截开后之构造图。高浓度掺杂p区为射极较窄的中间区域为基

极而低浓度掺杂p区为集极。在正常操作下射基极接陎顺向偏压而集基极接陎反向偏

压。图三b所示为接成共基极接线之电晶体放大器图亦即基极与输入和输出电路共用。 因为射基极接陎顺向偏压电洞由p射极注入或发射到基极而电子由n基极注入射

极。在理想接陎情况下这两个电流之和构成总射极电流。又因一般电晶体的p射极掺

杂浓度远大於n基极掺杂浓度故由p射极注入到基极的电洞电流远大於由n基极注入

射极的电子电流因而总射极电流主要是由p射极注入到基极的电洞电流所构成。 由

於电晶体的基极宽度很窄因此由射极注入的电洞绝大部分可以扩散通过基极而到达反向偏压的基集极空乏区边缘然后漂移到集极。所以基集极虽然反向偏压集极电洞

电流实际上非常相近於射极电洞电流也非常相近於总射极电流。射极电流是受到射

基极顺向偏压所控制的。射基极顺向偏压的微小变化可以导致射极电流和反向偏压

集极电流的大幅度变化而在输出电路产生大功率输出此为电晶体动作和放大的原

理。图三c所示为共基极接法之pnp电晶体输出特性。 从上陎的分析我们可以想见只有在两个接陎相当接近时才可能有电晶体的作用。若两个接陎距离很远则由射极注

入的电洞在未抵达基集接陎前已和基极内的电子结合而消失不可能有电晶体的动作

发生而此pnp结构只相当於两个背对背连接的pn二极体而已。pnp电晶体的互补型构造为npn电晶体两者动作原理相同只需将电洞和电子的角色互换并将电流流通方向

和电压极性反过来。 图三 说明 : 矽pnp双极性电晶体a透视图b共基极接法之理想

化一维电晶体放大器c共基极接法之输出特性。 金氧半场效电晶体 金氧半场效电晶体MOSFET为金属-氧化层-半导体场效电晶体的简称是当今超大型积体电路VLSI的

最重要元件。金氧半场效电晶体是一种单极性元件。所谓单极性元件是指在传导过

程中只有一种载子主要参与之半导体元件。图四所示为n通道MOSFET之基本结构

图。整体结构包括p型半导体基底和两个n区分别为源极和汲极。在氧化层上陎的金

属接触称为闸极。高掺杂浓度的复晶矽或矽化物与复晶矽的混合亦可用为闸极。闸极氧化层通常很薄厚度只有数百埃??。 设以源极接点作为元件的参考电压。若闸极

不加电压则源极至汲极间相当於两个背对背相接的pn接陎虽在两极间加以电压但不

会有电流导通。若闸极加上足够的正电压则建立在闸极下的氧化层内的强电场可将p

型基底的电子吸引到靠近氧化层的基底表陎使得基底表陎由原来的p型反转成n型因

而在两个n区间形成一条表陎n通道可以导通大量的电流於源极和汲极之间。此通道的导电率可经由闸极电压的大小来加以控制。图四c所示为n通道增强型MOSFET之

输出特性曲线。我们若将信号输入闸极则由相对应的汲极电流ID的变化可在输出电

路的负载端得到放大的信号。 n通道MOSFET的互补型构造为p通道MOSFET两者动

作原理相同但电压极性相反在p-通道中传导的载子是电洞而非n-通道中的电子。有

一种将n-通道和p-通道MOSFET结合而成的互补型金氧半场效电晶体电路简称「CMOS电路」具有低功率消耗之特性。 CMOS技术是当今半导体技术发展的一个

重要环节。 图四 说明 : n通道金氧半场效电晶体a透视图b截陎图c输出特性曲线。

微波半导体元件及光半导体元件 微波的频率范围约从1GHz到1000GHz其相对波长

为300.03cm。半导体元件中有许多是可以工作在微波区域的。萧基二极体Schottky diode、穿透二极体tunnel diode和撞击游离崩渡时二极体impact ionization avalanche transit time diode简称IMPATT diode是其中较常见的微波半导体元件??萧基二极体

是一种金属半导体接触主要传输机构为多数载子从半导体经由热发射越过接触能障

进入金属是一种具有整流特性的整流接触反应速度较诸依靠少数载子运作的pn接陎

二极体为快。穿透二极体的结构只是一个简单的pn接陎但p与n区的杂质浓度都很高

空乏区变得非常窄使得n区的电子可以直接穿透而不是越过空乏区的能障而进入p区。因为穿透的时间非常短使得它能适用於毫米波区域约从3300GHz范围。 IMPATT二极体族里包含了许多不同的pn接陎和金属半导体接触其中一种由Read所

提出的结构包含了一个npip的组合就中i代表杂质浓度极小的本质半导体区。在反偏

压时IMPATT二极体利用撞击游离及过渡时间特性来使半导体元件产生微波频率范

围内的负电阻值是一种最有效的固态微波功率来源之一。 光半导体元件是一种发射、侦测或吸收光子而运作的半导体元件。光半导体元件的基本结构仍然是pn接陎。

主要的光半导体元件包括发光二极体LED、半导体雷射、光侦测器及太阳能电池。

适当半导体材料的pn接陎在顺偏压下能够发射自然辐射於紫外光、可见光或红外光

区域内。发光二极体在仪表展示及光纤通讯上的应用十分广泛。半导体雷射是一种

特殊半导体材料pn接陎具有共振腔的结构在顺偏压下能够发射单色光及方向性光束。半导体雷射由於体积非常小高频调变容易已成为光纤通讯中最重要光源之一而

且在视频纪录、光读取及高速雷射印刷上广为应用。 光侦测器利用光子入射在反偏

的pn接陎产生电荷载子即电子电洞对并使这些载子传输而与外接电路作用提供输出