半導(dǎo)體小知識(shí)4則

半導(dǎo)體雜質(zhì)
　　半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對(duì)電阻率的影響非常大。半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢(shì)場(chǎng)受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)加的雜質(zhì)能級(jí)。例如四價(jià)元素鍺或硅晶體中摻入五價(jià)元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個(gè)價(jià)電子中有四個(gè)與周圍的鍺（或硅）原子形成共價(jià)結(jié)合，多余的一個(gè)電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。雜質(zhì)能級(jí)上的電子很易激發(fā)到導(dǎo)帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主，相應(yīng)能級(jí)稱為施主能級(jí)。施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶所需能量比從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需能量小得多（圖2）。在鍺或硅晶體中摻入微量三價(jià)元素硼、鋁、鎵等雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子與周圍四個(gè)鍺（或硅）原子形成共價(jià)結(jié)合時(shí)尚缺少一個(gè)電子，因而存在一個(gè)空位，與此空位相應(yīng)的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)能級(jí)，通常位于禁帶下方靠近價(jià)帶處。價(jià)帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上填補(bǔ)這個(gè)空位，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。價(jià)帶中由于缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空穴載流子（圖3）。這種能提供空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)時(shí)，在價(jià)帶中形成一個(gè)空穴載流子所需能量比本征半導(dǎo)體情形要小得多。半導(dǎo)體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產(chǎn)生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會(huì)使自由載流子數(shù)增加而導(dǎo)致電阻率減小，半導(dǎo)體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對(duì)摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子主要是導(dǎo)帶中的電子，屬電子型導(dǎo)電，稱N型半導(dǎo)體。摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體屬空穴型導(dǎo)電，稱P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體在任何溫度下都能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故N型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電空穴，P型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。在半導(dǎo)體器件的各種效應(yīng)中，少數(shù)載流子常扮演重要角色。
　　PN結(jié)
　　P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，造成正負(fù)電荷在 PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層(圖4 )。電偶極層中的電場(chǎng)方向正好阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。當(dāng)由于載流子數(shù)密度不等引起的擴(kuò)散作用與電偶層中電場(chǎng)的作用達(dá)到平衡時(shí)，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P 區(qū)中的空穴復(fù)合，這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結(jié)的半導(dǎo)體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
　　PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕雽?dǎo)體整流管就是利用PN結(jié)的這一特性制成的。PN結(jié)的另一重要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來制造光電池。半導(dǎo)體三極管、可控硅、PN結(jié)光敏器件和發(fā)光二極管等半導(dǎo)體器件均利用了PN結(jié)的特性。
　　半導(dǎo)體摻雜
　　半導(dǎo)體之所以能廣泛應(yīng)用在今日的數(shù)位世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質(zhì)改變其電性，這個(gè)過程稱之為摻雜（doping）。摻雜進(jìn)入本質(zhì)半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）的雜質(zhì)濃度與極性皆會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很大的影響。而摻雜過的半導(dǎo)體則稱為外質(zhì)半導(dǎo)體（extrinsic semiconductor）。
　　半導(dǎo)體摻雜物
　　哪種材料適合作為某種半導(dǎo)體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被區(qū)分為施體（donor）與受體（acceptor）。施體原子帶來的價(jià)電子（valence electrons）大多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵，進(jìn)而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施體原子微弱地束縛住，這個(gè)電子又稱為施體電子。和本質(zhì)半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來，施體電子躍遷至傳導(dǎo)帶所需的能量較低，比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng)，產(chǎn)生電流。雖然施體電子獲得能量會(huì)躍遷至傳導(dǎo)帶，但并不會(huì)和本質(zhì)半導(dǎo)體一樣留下一個(gè)電洞，施體原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因?yàn)閾诫s而獲得多余電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體（n-type semiconductor），n代表帶負(fù)電荷的電子。
　　和施體相對(duì)的，受體原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格后，因?yàn)槠鋬r(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價(jià)電子數(shù)量少，等效上會(huì)帶來一個(gè)的空位，這個(gè)多出的空位即可視為電洞。受體摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。
　　以一個(gè)硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來說明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子，常用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼（boron）摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí)，硼扮演的即是受體的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過來說，如果五價(jià)元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí)，磷扮演施體的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。
　　一個(gè)半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施體與受體，而如何決定此外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中，受體帶來的電洞濃度較高或是施體帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質(zhì)半導(dǎo)體的“多數(shù)載子”（majority carrier）。和多數(shù)載子相對(duì)的是少數(shù)載子（minority carrier）。對(duì)于半導(dǎo)體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。
　　半導(dǎo)體載子濃度
　　摻雜物濃度對(duì)于半導(dǎo)體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態(tài)下，一個(gè)未經(jīng)摻雜的本質(zhì)半導(dǎo)體，電子與電洞的濃度相等，如下列公式所示：
　　n = p = ni 其中n是半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度、p則是半導(dǎo)體的電洞濃度，ni則是本質(zhì)半導(dǎo)體的載子濃度。ni會(huì)隨著材料或溫度的不同而改變。對(duì)于室溫下的硅而言，ni大約是1×10 cm。
　　通常摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會(huì)變得越好，原因是能進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子數(shù)量會(huì)隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣泛應(yīng)用在今日的集成電路制程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會(huì)在n或是p后面附加一上標(biāo)的“+”號(hào)，例如n 代表?yè)诫s濃度非常高的n型半導(dǎo)體，反之例如p 則代表輕摻雜的p型半導(dǎo)體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經(jīng)高到讓半導(dǎo)體“退化”（degenerate）為導(dǎo)體，摻雜物的濃度和原本的半導(dǎo)體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個(gè)有晶格結(jié)構(gòu)的硅本質(zhì)半導(dǎo)體而言，原子濃度大約是5×10 cm，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導(dǎo)體在室溫下通常就會(huì)被視為是一個(gè)“簡(jiǎn)并半導(dǎo)體”（degenerated semiconductor）。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中，摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會(huì)到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中，摻雜濃度都會(huì)依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。
　　摻雜對(duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的影響
　　摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同，本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施體原子會(huì)在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階，而受體原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。
　　摻雜物對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)米能階依然會(huì)保持定值，這個(gè)特性會(huì)引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個(gè)p-n接面（p-n junction）的能帶會(huì)彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合接面處的能帶差異。
　　上述的效應(yīng)可以用能帶圖（band diagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費(fèi)米能階，半導(dǎo)體的本質(zhì)費(fèi)米能階（intrinsic Fermi level）通常以Ei來表示。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時(shí)，能帶圖是非常有用的工具。
　　半導(dǎo)體材料的制造
　　為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測(cè)并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。常見的品質(zhì)問題包括晶格的錯(cuò)位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯(cuò)誤（stacking fault）都會(huì)影響半導(dǎo)體材料的特性。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
　　目前用來成長(zhǎng)高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個(gè)單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時(shí)，溶質(zhì)將會(huì)沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。

半導(dǎo)體歷史
　　半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前，
　　1833年，英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。
　　不久， 1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。
　　在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。
　　1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。 半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績(jī)──四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。
　　很多人會(huì)疑問，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。
　　半導(dǎo)體于室溫時(shí)電導(dǎo)率約在10ˉ10～10000/Ω·cm之間，純凈的半導(dǎo)體溫度升高時(shí)電導(dǎo)率按指數(shù)上升。半導(dǎo)體材料有很多種，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的有機(jī)物半導(dǎo)體等和本征半導(dǎo)體。