半导体 〈Semiconductor〉(三)

作者: 分类: O佳生活 发布于:2020-06-20 340次浏览 42条评论


掺杂
能更有效的利用半导体特性,在设计电子元件上,加入杂质是很好的方式。这种在半导体中加入杂质的程序称为掺杂(doping)。杂质或掺杂物的数量,加到一 个纯质型半导体(intrinsic(pure) semiconductor)可以改变其导电性。掺杂过的半导体则时常被称为外质型半导体(extrinsic semiconductor)。

选取适当材料的掺杂物,取决于掺杂物和被掺杂材料的原子特性。大体上,掺杂物被分类为电子受体(donors)或施体(acceptors)。一个施体原子 贡献微弱束缚的价电子给材料,升温就可创造出负电荷载子(电子)。而这些载子能在电场的作用下传导。前面我们提到的施体原子引入一些能阶,但是非常接近的 对传导带的边缘。 室温下,电子在这些能阶下能容易地被激发至传导带,成为自由电子。 相反地,一个受体原子引入一些能阶,但是非常接近的价带的边缘,室温下,电子在价带被激发至这些能阶,生成一个电洞。半导体掺杂施体杂质的叫做N型半导 体,而那些掺杂受体杂质的即被称为P型半导体。N和P型的名称显示哪一个电荷载子是材料的多数载子。相对的载子就称做少数载子,而这些少数载子在前面载子 的产生中有提到是由于热激发下产生,但相较于多数载子其浓度较低。
半导体 〈Semiconductor〉(三)

举例来说,纯质型半导体硅有四个价电子。在硅中,最普通的掺杂物是13族(通常被称作IIIA族)和15族(通常被称作第VA族)元素。13族的元素都包含 三个价电子,使之要掺杂硅时作为受体原子。15族的元素有五个价电子,使之作为施体原子。因此,硅晶体掺杂硼产生一个P型半导体,然而另一以掺杂磷的生成 一个N型半导体。

载子浓度

半导体内部掺杂杂质的浓度,除了直接影响到材料的载子浓度,也影响了许多其与电有关的性质。在未掺杂的情况下,半导体内部电子和电洞的浓度是相同的。表示如下, n=p=ni

其中n表自由电子的浓度,p表自由电洞的浓度,ni则是材料未掺杂的情况下载子的浓度。ni因材料而异,它亦取决于温度。举例来说,硅的ni在300K(室温)时大约是1.1x1010 个/立方公分。

一般来说,增加掺杂的浓度可使导电性更佳,因增加掺杂浓度进而提高载子的浓度,有效增加其导电性。高浓度掺杂的半导体,拥有与金属相当的导电性,因此它 常在现代积体电路中取代金属。上标的加号(+)或减号(-)表示着与半导体中掺杂浓度相关的性质。更明白的说,n+代表掺杂浓度较高的n型半导体,同样 的,p-则表示掺杂浓度较低的p型半导体材料。在一个硅晶体内部,每立方公分大约有5×1022个硅原子。硅半导体中掺杂的浓度可能介乎1013cm-3 至1018cm-3之间。掺杂浓度的增减,会依半导体元件设计上的需求,而加以调整。

异质介面的能带结构

依照晶型半导体掺入杂质的类型,会在能隙中引入非常接近传导带与价带的能阶。也就是说,施体杂质会在接近传导带处产生新的能阶,受体杂质会在接近价带处产 生新的能阶。能隙间接近能带的这些能阶,与能带之间的能量差,通常被称为束缚能或Eb¬,且相对于能隙是较小地。举例来说,掺杂硼在硅中束缚能Eb为 0.045eV(电子伏特),相对于硅的能隙1.12eV是较小的。因为Eb较小,所以只需些许能量,便可使杂质原子离子化且产生自由载子(电子或电洞) 散布于价带及传导带中。通常室温下的热能,便可充分的将掺杂原子离子化。

半导体 〈Semiconductor〉(三)

掺杂施体原子或受体原子,对于材料的费米能阶偏向何一能带,亦扮演重要角色,偏向的多寡依据掺杂之浓度而定。在热平衡的情况下,费米能阶的位置是保持固定 的,异质介面的堆积,会导致许多有用的电性质。例如pn接面能带发生弯曲,是因为p型材料费米能阶与n型材料费米能阶,必须保持在同一位置所造成。 

半导体 〈Semiconductor〉(三)

半导体 〈Semiconductor〉(三)

此能带图显示,异质介面两边费米能阶匹配,导致传导带与价带边缘弯曲的效果。由此图可表现出价带、传导带随位置变化的情形,其常用x代表位置。尚未掺杂时的本质费米能,Ei (如图所示)位于能隙中间。这些图能有效的解释多种半导体元件的工作。

半导体材料的製造

半导体可预测、可靠的电性质,是大量生产所必须具备的条件。生产时其所要求化学纯度是相当的高,因为即使只佔有极小的比例杂质掺杂,对于材料性质的影响力也 会相当的大。完美结晶对于材料是很重要的,因为结晶结构的缺陷(像错位、双晶面和叠层缺陷) ,都会干扰半导体材料的特性。结晶缺陷是造成半导体元件瑕疵的主要起因。结晶越大,元件越难达到完美。目前大量生产的製程,是将单晶拉成直径介于4至12 吋(300mm)的晶柱,然后将其切成晶圆薄片。

相关文章:半导体(一)、(二)
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