半導(dǎo)體是什么

基本術(shù)語

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大。半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子附近的周期勢場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。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)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(jié)合，多余的一個電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級。雜質(zhì)能級位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。雜質(zhì)能級上的電子很易激發(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)能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導(dǎo)帶所需能量比從價帶激發(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元素硼、鋁、鎵等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子與周圍四個鍺(或硅)原子形成共價結(jié)合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應(yīng)的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)能級上填補這個空位，使雜質(zhì)原子成為負離子。價帶中由于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(zhì)稱為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)時，在價帶中形成一個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(圖3)。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，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。折疊PN結(jié)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時，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)域擴散，造成正負電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層(圖4 )。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數(shù)密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散后與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?，半?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)生電動勢，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。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結(jié)正偏。此時PN結(jié)如同一個開關(guān)合上，呈現(xiàn)很小的電阻，稱之為導(dǎo)通狀態(tài)。P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏，此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)，如同開關(guān)打開。結(jié)電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結(jié)會發(fā)生擊穿而損壞。折疊半導(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，這個過程稱之為摻雜(doping)。摻雜進入本質(zhì)半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor)的雜質(zhì)濃度與極性皆會對半導(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)。折疊半導(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被區(qū)分為施主(donor)與受主(acceptor)。施主原子帶來的價電子(valence electrons)大多會與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。和本質(zhì)半導(dǎo)體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導(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，產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導(dǎo)帶，但并不會和本質(zhì)半導(dǎo)體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子后只會固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因為摻雜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代表帶負電荷的電子。和施主相對的，受主原子進入半導(dǎo)體晶格后，因為其價電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價電子數(shù)量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體(p-type semiconductor)，p代表帶正電荷的電洞。以一個硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼(boron)摻雜至硅半導(dǎo)體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過來說，如果五價元素如磷(phosphorus)摻雜至硅半導(dǎo)體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。一個半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主，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，受主帶來的電洞濃度較高或是施主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)載子相對的是少數(shù)載子(minority carrier)。對于半導(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。折疊半導(dǎo)體載子濃度摻雜物濃度對于半導(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= n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，n則是本質(zhì)半導(dǎo)體的載子濃度。n會隨著材料或溫度的不同而改變。對于室溫下的硅而言，n大約是1×10 cm。通常摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會變得越好，原因是能進入傳導(dǎo)帶的電子數(shù)量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會因為導(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。高摻雜濃度通常會在n或是p后面附加一上標的“+”號，例如n代表摻雜濃度非常高的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被視為是一個“簡并半導(dǎo)體”(degenerated semiconductor)。重摻雜的半導(dǎo)體中，摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中，摻雜濃度都會依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。折疊摻雜對結(jié)構(gòu)的影響摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會出現(xiàn)不同的能階。施主原子會在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙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)。摻雜物對于能帶結(jié)構(gòu)的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面(p-n junction)的能帶會彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費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)帶或價帶都會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。圖中也有費米能階，半導(dǎo)體的本質(zhì)費米能階(intrinsic Fermi level)通常以E來表示。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。折疊半導(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)都必須嚴格要求。常見的品質(zhì)問題包括晶格的錯位(dislocation)、雙晶面(twins)，或是堆棧錯誤(stacking fault)都會影響半導(dǎo)體材料的特性。對于一個半導(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，溶質(zhì)將會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。