半导体物理简介
半导体物理简介
1. 半导体材料介绍
半导体的种类
半导体的键结与晶格结构
半导体中的导电载子---电子与电洞 产生与复合
带沟与半导体的光电特性 半导体的掺杂
2. 半导体之导电行为 移动电流与扩散电流 多出载子的传导行为
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半导体物理简介
本章是要简介以半导体为基础的近代电子学中的基本概念，包括半导体材 料、基本半导体组件，以及应用。这里仅提供简单且直觉的物理图像，严谨的探 讨与推导公式不在描述的范围内。
电子技术的进步造就了我们目前信息计算机产业的发展，更改变了我们日常生 活形态，甚至人类的思考模式、文化活动以及国家间之政治与军事的互动。电子 技术中的主角就是半导体。因此，我们将由半导体材料的种类及特性开始介绍， 并就他的重要导电行为加以讨论，再来介绍最基本的半导体组件---二极管。对于 二极管有了初步了解后，三极体（或称为双极晶体管 BJT）的特性就很容易能够 掌握。场效晶体管（FET）的操作原理和三极体完全不相同，这里会特别介绍在 近代计算机中用得最多的金氧半场效晶体管（MOSFET）。除了基本组件的原理描 述外，对于一些特殊功能的组件，例如发光二极管、二极管雷射、高频晶体管等， 均将略加介绍。最后我们将就集成电路技术的内容及发展做简短的描述，并探讨 他们在现代人类生活中扮演的角色。
1 半导体材料
半导体(semiconductor)顾名思义系指导电度介于导体与绝缘体的物质，图 1 将一些常见材料依其导电度（下方横轴）标出，上方横轴所标示的是对应的电阻 率。半导体的导电度大约介于 10-8到 103 S/cm 之间，范围相当的广，即使是同 一半导体材料的分布也很大，这主要是由于半导体的导电性很容易受到杂质、温 度及光照等制备及环境条件的影响。也正是由于半导体的这个多变的特性，使得 他能够有多样性的应用。
图 1 一些常见材料依其导电度（下方横轴）及电阻率（上方横轴）标出。
半导体的种类
半导体材料依其构成的元素可分为元素半导体（element semiconductors ）以
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及化合物半导体(compound semiconductors)。元素半导体，例如硅(silicon, Si)、 锗(germanium, Ge)，由单一的四价元素（有四个价电子）所形成。常见化合物半 导体又可依照成分元素的周期表分类分为四四族化合物半导体（如碳化硅 SiC、
硅锗合金等）、三五族化合物半导体（如砷化镓 GaAs、氮化镓 GaN、磷化镓 GaP、 砷化铟 InAs 等二元化合物，及砷化铝镓 AlGaAs、磷化铟镓 GaInP、氮化铟镓 GaInN、磷砷化铟镓 InGaAsP 等三元或四元化合物）、以及二六族化合物半导体 （如硫化镉 CdS、鍗化镉 CdTe、硫化锌 ZnS 等）。图 2 是周期表内二价到六价的 元素，大部分的半导体是由这些元素所组成。
图 2 和半导体相关之周期表
元素半导体中的硅是目前工业中最主要的半导体材料，其原因在于硅在地球 表壳中存量丰富，又能在上面长出质量良好的氧化层，适合大规模的集成电路的 制作。其它半导体则依其特性各有不同的用途，例如三五族半导体有优良的发光 特性以及快速的电子传导特性，因此在光电产业及通讯电子方面就占有非常重要 的角色。
半导体的键结与晶格结构
半导体的特性和其组成原子间的键结以及晶格结构有密切的关系。以硅和锗 为例，原子最外层有四个价电子，若最邻近原子数为 4，则原子间的键结形式为 所谓的 sp3混成轨道形成之共价键(covalence bond)，所形成的晶格结构和钻石相 同，称为钻石结构(diamond structure)，图 3(a)是他的一个单位立方晶格中原子排 列的情形，实际的结构就是以此为单位重复的在空间中排列。钻石结构可以看成 是两个相同的面心立方晶格（由正立方体 8 个顶点及 6 个面的中心点组成），在 沿着对角线方向相错四分之一个对角线长度排列。我们可以看出钻石结构是一个 很空洞的结构。
三五族化合物半导体（例如砷化镓）的平均价电子数也是 4，五族元素多出 1 个电子刚好补足三价元素之不足，因此可以形成和钻石结构类似的晶格，称做闪
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锌(Zincblende)结构，如图 3(b)所示，其中每一个三族元素（镓）有 4 个最邻近的 五族元素（砷），同样的每一个五族元素（砷）有 4 个最邻近的三族元素（镓）。
图 3 常见的半导体晶格结构：(a)钻石结构，(b)闪锌结构。
并非所有的化合物半导体都是闪锌结构，有一些二六族化合物半导体，例如 硫化镉及硫化锌等，则形成以六方晶格为基础之乌采(Wurtzite)结构，原子密度 较闪锌结构致密。这些化合物用途较局限，在此不再详述。
在讨论半导体的键结与导电特性时，如图 3 之立体图使用上并不方便，通常 我们可以将三维的键结用二维的图像代表。在图 4 中每一个硅原子在同一平面有 四个最邻近原子，各原子间以一个共价键连结，而每一个共价键由两个电子组 成。这里还要强调一下，这个平面图像只是为了讨论方便，实际的结构还是要回 归到三维的排列。
图 4 硅键结的平面图像
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例题 1
在温度 300K，硅的单位立方晶格的边长 a（称为晶格常数，lattice constant） 为 5.43? ，计算硅每立方公分所含之原子数及质量密度。 解：
由图 3(a)，一个单位立方晶格中包含 8 个八分之一的顶角原子、6 个二分之一的
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面心原子、及 4 个内部的完整原子，故共8????6 ????4 ??8 个原子。 有 8 2 每立方公分所含之原子数为
8
??
8 ??8
3
?
??
质量密度为
a 3
(5.43 ??10 cm)
3
??22 5.0 10 原子/cm
3 22 ??每立方公分原子数 原子量 ??5.0??10 (
原子/cm (g/mole)
23
) ??28.9 ??2.33 g/cm
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亚佛加厥常数
6.02 ?10 ( 原子/mole)
半导体中的导电载子---电子与电洞
由上面讨论我们知道半导体中原子间的键结都是共价键，假如所有的共价键 都是完整的，晶格中就没有可导电的自由电子，那么他应该是绝缘体才对。在实 验上发现，即使是很纯的半导体，例如硅，在室温时还是有些许的导电度，而且
温度上升，导电度会增加。这些导电度来自于在室温时，少部分共价键中的电子 吸收了足够的热能跳出他的键结位置，进入共价键间的空间，而大部分的键结还 是完整的，只要电子不回到空出的键结位置，他可以在晶格的空间中游动，因此
可以导电。这个可以移动的电子我们称为导电电子 (conduction electron)。图 5(a) 表示在 A 位置的电子吸收足够的能量，跳出共价键的位置，形成导电电子。 在图 5(a)中我们同时可以看到，电子跳出后在 A 还留下了一个空位，其它共 价键的电子，有可能去填充此空位，例如图 5(b)中之 B 位置的电子去填了 A 之 空位，造成空位的位置由 A 移到 B。在没有空位时，由于原子核的电荷和电子 的电荷完全抵销，故不带电，成电中性；而在空位附近由于少了个电子，等效上
是带了一个基本单位的正电。因此，空位的移动，我们可以看成是一个正电荷的
移动，也可以导电。这个能够导电的空位称为电洞(hole)，我们把他当成一个带 有单位正电荷的粒子。导电电子与电洞均可导电，都称为载体(carriers)。
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