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一 半导体的发现

一半导体的发现

半导体的发现实际上我们可以追溯到很久以前,1833年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻变化随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这就是半导体现象的首次发现。

不久以后, 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质所接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们所熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应,(霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

二半导体简介

半导体:电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。

一 半导体的发现

半导体

室温时电阻率约在105-~107Ω·m之间,当温度升高时电阻率指数减小。半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物(砷化镓、磷化镓等)、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带,受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴(图 1 )。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对,均能自由移动,即载流子,它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子 - 空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。

一 半导体的发现

图1

半导体中杂质半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态,在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时,杂质原子作为晶格的一分子,其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合,多余的一个电子被束缚于杂质原子附近,产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级

上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主,相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时,杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子,因而存在一个空位,与此空位相应的能量状态就是杂质能级,通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位,使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时,在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小,半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体,导电载流子主要是导带中的电子,属电子型导电,称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电,称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对,故N型半导体中可存在少量导电空穴,P型半导体中可存在少量导电电子,它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中,少数载流子常扮演重要角色。

PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时,其交界区域称为PN结。P 区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散,造成正负电荷在PN 结两侧的积累,形成电偶极层。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时,P区和N区之间形成一定的电势差,称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合,而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合,这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层,故电偶极层也叫阻挡层,阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。

PN结具有单向导电性,半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势,称光生伏特效应,可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的光生伏特特性。

半导体五大特性∶电阻率特性,导电特性,光电特性,负的电阻率温度特性,整流特性。

在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。

在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。

晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。

共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。

自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。

空穴电流:价电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。

本征半导体的电流:电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。

载流子:运载电荷的粒子称为载流子。

导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。

本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。

本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。

复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。

动态平衡:在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。

载流子的浓度与温度的关系:温度一定,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多(即载流子的浓度升高),导电性能增强;当温度降低,则载流子的浓度降低,导电性能变差。

半导体的能带:对半导体来说,电子填满了一些能量较低的能带,称为满带,最上面的满带称为价带;价带上面有一系列空带,最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙,带隙宽度用Eg 表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。

对于本征半导体在绝对零度没有激发的情况下,价带被电子填满,导带没有电子。在一般温度,由于热激发,有少量电子从价带跃迁到导带,使导带有少量电子,而在价带留下少量空穴,这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电就是依靠导带底的少量电子和价带顶的少量空穴。

三半导体的应用

半导体独特的导电性能是导体和绝缘体所没有的,所以半导体在现代技术中有重要的应用。

1.利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管晶体三极管等电子元件。

利用半导体的热敏特性,可以用半导体材料制成很小的热敏电阻,它将温度变化转化为电信号,测量这种电信号就可以知道温度变化的情况。这种测量方法反应快、精度高。

利用半导体的光敏特性,可以用半导体材料制成很小的光敏电阻,它将光信号转化为电信号。光敏电阻可以起到开关的作用,在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛的应用。

利用半导体的掺杂特性,再加上特殊的制作工艺,人们制成了晶体二极管和晶体三极管。晶体二极管和晶体三极管在电子线路中有较广泛的应用。

1906年真空三极管的发明,为上个世纪上半叶无线电和电话的发展奠定了基础。1947年,美国贝尔研究所的巴丁、肖克莱、布拉坦研制出第一个晶体三极管。它的出现成为上世纪三下半叶世界科技发展的基础。其功耗极低,而且可靠性高,转换速度快,功能多样,尺寸又小,因而成为当时出现的数字计算机的理想器件,并很快在无线电技术和军事上获得广泛的应用。由于研制成晶体三极管,他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖。

2. 制成集成电路、超大规模集成电路,开辟了微电子技术的新时代。

将晶体管、电容、电阻等电子元件及相应的连线同时制作在一块面积很小的半导体晶片上,是这成为具有一定功能的电路,这就是集成电路。

在大规模集成电路中,在面积比小拇指指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件。集成电路的制成开辟了微电子技术的新时代。

半导体材料在目前的电子工业和微电子工业中主要用来制作晶体管、集成电路、固态激光器等器件。我们现在常见的晶体管有两种,即双极型晶体管和场效应晶体管,他们都是计算机的关键器件。前者是计算机中央处理器装置(即对数据进行操作部分)的基本单元,后者是计算机存储器的基本单元。两种晶体管的性能在很大程度上均依赖于原始硅晶体的质量。

砷化镓单晶材料是继锗、硅之后发张起来的新一代半导体材料。它具有迁移率高、禁带宽度大等特点,在工作速度、频率、光电性能和工作环境许多方面有着不可比拟的优势。它是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料,主要应用于光电子和威电子领域。