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与金属相比,纯半导体是相对较好的绝缘体,尽管不如玻璃那样真正的绝缘体。 为了在半导体应用中有用,本征半导体(纯无掺杂半导体)在100亿个半导体原子中必须具有不超过一个杂质原子。 这类似于糖的铁路棚车中的一粒盐杂质。 不纯或不干净的半导体导电性要好得多,尽管不如金属。 为什么会这样呢? 为了回答这个问题,我们必须在下图中查看此类材料的电子结构。

电子结构

下图(a)显示半导体的价壳中的四个电子与其他四个原子形成共价键。 这是上图的扁平化,易于绘制的版本。 原子的所有电子都束缚在四个共价键上,成对共享电子。 电子不能自由地在晶格周围移动。 因此,与金属相比,本征,纯净的半导体是相对较好的绝缘体。

固态器件理论(4)电子和“空穴”_技术交流

(a)本征半导体是具有完整电子壳的绝缘体。 (b)但是,热能可以产生很少的电子-空穴对,从而导致较弱的传导。

如上图(b)所示,热能有时可能会使电子从晶格中释放出来。该电子自由地围绕晶格传导。当电子被释放时,它在被称为空穴的晶格中留下带正电荷的空位。这个孔没有固定在晶格上。但是,可以随意走动。自由电子和空穴都有助于围绕晶格的传导。即,电子是自由的,直到它落入空穴。这称为重组。如果将外部电场施加到半导体,则电子和空穴将沿相反的方向传导。温度升高将增加电子和空穴的数量,从而降低电阻。这与金属相反,金属通过增加电子与晶格的碰撞,电阻随温度而增加。本征半导体中的电子和空穴的数量相等。但是,在施加外场的情况下,两个载体不一定以相同的速度运动。另一种说法是电子和空穴的迁移率不同。

半导体杂质

单纯的半导体本身并不是特别有用。但是,在添加特定杂质之前,必须将半导体提炼至高纯度作为起点。

纯度为100亿分之一的半导体材料,可能会添加特定杂质,每1000万分之1左右,以增加载流子的数量。向半导体中添加所需的杂质被称为掺杂。掺杂增加了半导体的导电性,因此与绝缘体相比,它与金属更具有可比性。

通过掺杂像磷这样的电子给体,可以增加半导体晶格内负电荷载流子的数量。电子给体,也称为N型掺杂剂,包括元素周期表VA组的元素:氮,磷,砷和锑。氮和磷是金刚石的N型掺杂剂。磷,砷和锑与硅一起使用。

下图(b)中的晶格包含在外壳中具有四个电子的原子,与相邻原子形成四个共价键。这是预期的晶格。与硅原子相比,在外壳中添加具有五个电子的磷原子会将额外的电子引入晶格。五价杂质与五个电子中的四个形成四个硅原子上的四个共价键,并与一个电子相交而进入晶格。注意,该备用电子没有像普通Si原子的电子那样牢固地键合到晶格上。它可以自由地绕晶格移动,而不受磷晶格位置的约束。由于我们在1000万个硅原子中掺杂了一部分磷,因此与众多硅原子相比,生成的自由电子很少。但是,与本征硅中较少的电子-空穴对相比,产生了许多电子。施加外部电场会在导带(价带以上)中在掺杂半导体中产生强导通。较高的掺杂水平会产生较强的导电性。因此,导电性差的本征半导体已转变为良好的电导体。

固态器件理论(4)电子和“空穴”_扁平化_02

(a)供体N型磷,硅(供参考)和受体P型硼的外壳电子构型。 (b)N型施主杂质产生自由电子(c)P型受主杂质产生空穴,即正电荷载流子。

与硅相比,还可以引入缺少电子的杂质,在价壳中具有三个电子,而硅具有四个电子。在上图(c)中,这留下了一个空洞,称为空穴,即正电荷载体。硼原子试图与四个硅原子键合,但在价带中只有三个电子。在试图形成四个共价键时,三个电子四处移动以试图形成四个键。这会使空穴看起来移动。此外,三价原子可以从相邻的(或更远的)硅原子借用电子以形成四个共价键。然而,这留下了一个电子不足的硅原子。换句话说,空穴已经移动到相邻的(或更远的)硅原子。空穴位于价带中,在导带以下。掺杂电子受体(可以接受电子的原子)会产生电子缺陷,这与空穴过多相同。由于空穴是正电荷载流子,因此电子受体掺杂剂也称为P型掺杂剂。 P型掺杂剂会给半导体留下过多的空穴,即正电荷载流子。元素周期表第IIIA族的P型元素包括硼,铝,镓和铟。硼用作硅和金刚石半导体的P型掺杂剂,而铟与锗一起使用。

下图中类似于电子传导的“管中的大理石”将空穴的运动与电子的运动联系起来。大理石代表导体(管)中的电子。电子在导线或N型半导体中从左向右移动的原因是,电子从左侧进入电子管,迫使右侧电子离开。 N型电子的传导发生在导带中。将其与价带中空穴的运动进行比较。

固态器件理论(4)电子和“空穴”_固态器_03
试管中的大理石类似于:(a)当电子进入试管时,电子在导带中向右移动。 (b)随着电子向左移动,空穴在价带中向右移动。

为了使空穴进入图(b)左侧,必须除去电子。从左向右移动空穴时,电子必须从右向左移动。第一电子从管子的左端射出,因此空穴可以向右移入管子。电子沿正空穴的相反方向移动。随着空穴向右移动,电子必须向左移动以容纳空穴。由于P型掺杂,在价带中不存在电子的空穴。它具有局部正电荷。为了沿给定方向移动空穴,价电子沿相反方向移动。

N型半导体中的电子流动类似于在金属丝中移动的电子。 N型掺杂原子将产生可用于传导的电子。这些电子由于掺杂剂而被称为多数载流子,因为与很少的热空穴相比,它们占多数。如果在下图(a)中的N型半导体条上施加电场,则电子将进入条的负(左)端,横穿晶格,并在右边向(+)电池端子出射。

固态器件理论(4)电子和“空穴”_技术交流_04

(a)一种n型半导体,其中的电子通过晶格左右移动。 (b)具有左向右移动的空穴的p型半导体,它对应于沿相反方向移动的电子。

P型半导体中的电流很难解释。 P型掺杂剂(一种电子受体)会产生带正电荷的局部区域,称为空穴。 P型半导体中的多数载流子是空穴。尽管空穴在三价掺杂原子位置形成,但它们可能会在半导体棒周围移动。请注意,上图(b)中的电池是与(a)相反的电池。电池正极端子连接到P型条的左端。电子流通过P型条从电池负极端子流出,返回到电池正极端子。离开半导体棒正极(正极)到电池正极端子的电子会在半导体中留下一个孔,该孔可能会向右移动。孔从左到右穿过晶格。在条的负端,来自电池的电子与一个孔结合,将其中和。这为在杆的正端向右移动的另一个孔留出了空间。请记住,当空穴从左向右移动时,实际上是电子朝相反的方向运动,这导致了明显的空穴运动。

用于生产半导体的元素

下图总结了用于生产半导体的元素。如今,最有限的IVA大块半导体材料锗仅在有限的范围内使用。硅基半导体约占所有半导体商业化生产的90%。金刚石基半导体是目前具有巨大潜力的研发活动。未列出的化合物半导体包括硅锗(硅晶片上的薄层),碳化硅和III-V化合物,例如砷化镓。 III-VI族化合物半导体包括AlN,GaN,InN,AlP,AlAs,AlSb,GaP,GaAs,GaSb,InP,InAs,InSb,AlxGa1-xAs和InxGa1-xAs。周期表的第II列和第VI列(图中未显示)也形成化合物半导体。
固态器件理论(4)电子和“空穴”_固态器_05

IIIA族P型掺杂剂,IV族基础半导体材料和VA N型掺杂剂。

上图中包含IIIA和VA组的主要原因是为了显示与IVA组半导体一起使用的掺杂剂。 IIIA族元素是受体(P型掺杂剂),它们接受在晶格中留有空穴的电子,即正载流子。 硼是金刚石的P型掺杂剂,也是硅半导体最常见的掺杂剂。 铟是锗的P型掺杂剂。

VA族元素是供体,N型掺杂剂,产生自由电子。 氮和磷是适用于金刚石的N型掺杂剂。 磷和砷是硅中最常用的N型掺杂剂。 但是,可以使用锑。

结论

本征半导体材料,纯度至100亿分之一。
N型半导体掺杂有五价杂质以产生自由电子。 这种材料是导电的。 电子是多数载流子。
掺杂有三价杂质的P型半导体具有大量的空洞。 这些是正电荷载体。 P型材料是导电的。 孔是多数载体。
大多数半导体基于元素周期表中IVA组的元素,硅是最普遍的元素。 锗几乎已经过时了。 碳(金刚石)正在开发中。
诸如碳化硅(IVA族)和砷化镓(III-V族)的化合物半导体被广泛使用。

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