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半導體(semiconductor),指常溫下導電性能介於導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。材料的導電性是由「傳導帶」(conduction band)中含有的電子數量決定。當電子從「價帶」(valence band)獲得能量而跳躍至「導電帶」時,電子就可以在帶間任意移動而導電。一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特,通過電子傳導或空穴傳導的方式傳輸電流。

1 半導體 -簡介

半導體,是指電阻率介於金屬和絕緣體之間並有負的電阻溫度係數的物質。半導體室溫時電阻率約在10-5~107歐·米之間,溫度升高時電阻率指數則減小。如硅、鍺、硒等,半導體之所以得到廣泛應用,是因為它的導電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。 

2 半導體 -分類

半導體半導體

半導體材料很多,按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體;化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化鎵、磷化鎵等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體(鎵鋁砷、鎵砷磷等)。除上述晶態半導體外,還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。

本徵半導體

本徵半導體,是指不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶,受到熱激發后,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導帶,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位,稱為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴對,均能自由移動,即載流子,它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導電和空穴導電。這種由於電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本徵導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射(發光)或晶格的熱振動能量(發熱)。在一定溫度下,電子 - 空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產生更多的電子-空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大,實際應用不多。

半導體中雜質

半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時,雜質原子附近的周期勢場受到干擾並形成附加的束縛狀態,在禁帶中產加的雜質能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時,雜質原子作為晶格的一分子,其五個價電子中有四個與周圍的鍺(或硅)原子形成共價結合,多餘的一個電子被束縛於雜質原子附近,產生類氫能級。雜質能級位於禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主,相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時,雜質原子與周圍四個鍺(或硅)原子形成共價結合時尚缺少一個電子,因而存在一個空位,與此空位相應的能量狀態就是雜質能級,通常位於禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發到雜質能級上填補這個空位,使雜質原子成為負離子。價帶中由於缺少一個電子而形成一個空穴載流子。這種能提供空穴的雜質稱為受主雜質。存在受主雜質時,在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本徵半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產生的熱激發或光激發都會使自由載流子數增加而導致電阻率減小,半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據此原理製成的。對摻入施主雜質的半導體,導電載流子主要是導帶中的電子,屬電子型導電,稱N型半導體。摻入受主雜質的半導體屬空穴型導電,稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產生電子-空穴對,故N型半導體中可存在少量導電空穴,P型半導體中可存在少量導電電子,它們均稱為少數載流子。在半導體器件的各種效應中,少數載流子常扮演重要角色。

3 半導體 -性能

半導體半導體

 1.在純凈的半導體中適當地摻入一定種類的極微量的雜質,半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—這是半導體最顯著、最突出的特性。例如,晶體管就是利用這種特性製成的。 

2.當環境溫度升高一些時,半導體的導電能力就顯著地增加;當環境溫度下降一些時,半導體的導電能力就顯著地下降。這種特性稱為「熱敏」,熱敏電阻就是利用半導體的這種特性製成的。 

3.當有光線照射在某些半導體時,這些半導體就像導體一樣,導電能力很強;當沒有光線照射時,這些半導體就像絕緣體一樣不導電,這種特性稱為「光敏」。例如,用作自動化控制用的「光電二極體」、「光電三極體」和光敏電阻等,就是利用半導體的光敏特性製成的。

 

4 半導體 -特點

半導體五大特性∶摻雜性,熱敏性,光敏性,負電阻率溫度特性,整流特性。   
★在形成晶體結構的半導體中,人為地摻入特定的雜質元素,導電性能具有可控性。   
★在光照和熱輻射條件下,其導電性有明顯的變化。   
晶格:晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣,稱為晶格。   

共價鍵結構:相鄰的兩個原子的一對最外層電子(即價電子)不但各自圍繞自身所屬的原子核運動,而且出現在相鄰原子所屬的軌道上,成為共用電子,構成共價鍵。   
自由電子的形成:在常溫下,少數的價電子由於熱運動獲得足夠的能量,掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。 

 

5 半導體 -發現歷程

1833年,英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同於一般金屬,一般情況下,金屬的電阻隨溫度升高而增加,但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結,在光照下會產生一個電壓,這就是後來人們熟知的光生伏特效應,這是被發現的半導體的第二個特徵。

1874年,德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關,即它的導電有方向性,在它兩端加一個正向電壓,它是導通的;如果把電壓極性反過來,它就不導電,這就是半導體的整流效應,也是半導體所特有的第三種特性。同年,舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

1873年,英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應,這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應雖在1880年以前就先後被發現了,但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

6 半導體 -應用

半導體半導體在計算機領域的應用
 1.大規模集成電路和計算機;
2.光通信技術; 
3.無線通信技術; 
4.太陽能電池; 
5.半導體發光管; 
6.光碟存儲和激光器; 
7.軍事和環保方面的應用。
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