本文介紹了半導(dǎo)體的起源、什么是半導(dǎo)體、半導(dǎo)體的分類。

一、半導(dǎo)體的起源

1946年1月，遠(yuǎn)在太平洋彼岸的美國BELL實(shí)驗(yàn)室正式成立了一個(gè)半導(dǎo)體研究小組，小組內(nèi)有3名核心成員，分別是Schokley、Bardeen和Brattain，俗稱“晶體管三劍客”。

三劍客有自己的研究優(yōu)勢(shì)，Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。

在三劍客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布萊登(Brattain)發(fā)明了點(diǎn)接觸(point?contact)晶體管。接著在1949年肖克萊(Shockley)發(fā)表了關(guān)于p?n結(jié)和雙極型晶體管的經(jīng)典論文。有史以來的第一個(gè)晶體管中，在三角形石英晶體底部的兩個(gè)點(diǎn)接觸是由相隔50μm的金箔線壓到半導(dǎo)體表面做成的，所用的半導(dǎo)體材料為鍺；當(dāng)一個(gè)接觸正偏(forward biased，即對(duì)于第三個(gè)端點(diǎn)加正電壓)，而另一個(gè)接觸反偏(reverse biased)時(shí)，可以觀察到把輸入信號(hào)放大的晶體管行為(transistor action)。

雙極型晶體管是一個(gè)關(guān)鍵的半導(dǎo)體器件，它把人類文明帶進(jìn)了現(xiàn)代電子時(shí)代，轟動(dòng)世界的半導(dǎo)體革命開始了…

此時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)新名稱——晶體管。

我們還常聽說一個(gè)詞——集成電路【Integrated Circuit：IC】，晶體管和集成電路是什么關(guān)系呢？

集成電路是通過一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連關(guān)系，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上，并封裝在一個(gè)保護(hù)外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復(fù)雜電子系統(tǒng)。

晶體管是集成電路的組成單元，它的發(fā)明加速了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

二、什么是半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體的概念是從材料的導(dǎo)電性來描述的，自然界中一切物體，按導(dǎo)電性分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。

生活中我們接觸到的物體，要么導(dǎo)電、要么不導(dǎo)電、要么在特定條件下導(dǎo)電。

從電阻的角度來看，就是下面這張圖：

絕緣體: 電導(dǎo)率很低，約介于20E-18S/cm-E-8S/cm，如熔融石英及玻璃；

導(dǎo)? 體：電導(dǎo)率較高，介于10E4S/cm-10E6S/cm，如鋁、銀等金屬；

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。

為什么這種導(dǎo)電率不穩(wěn)定的物質(zhì)卻受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用呢？

因?yàn)榘雽?dǎo)體易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子的影響。

半導(dǎo)體材料在外界的刺激下，材料性能發(fā)生改變，正是半導(dǎo)體的這種對(duì)電導(dǎo)率的高靈敏度特性使半導(dǎo)體成為各種電子應(yīng)用中最重要的材料之一。

三、半導(dǎo)體的分類

半導(dǎo)體按照材料的類型可分為：

(1) 元素半導(dǎo)體：硅(Si)、鍺(Ge)

硅、鍺都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體，均為周期表第IV族元素。

20世紀(jì)50年代初期，鍺曾是最主要的半導(dǎo)體材料；60年代初期以后，硅已取代鍺成為半導(dǎo)體制造的主要材料，主要原因?yàn)楣杵骷谑覝叵掠休^佳的特性，高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%，僅次于氧，儲(chǔ)量豐富。

(2) 化合物半導(dǎo)體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。

化合物半導(dǎo)體可以根據(jù)組成元素的多少進(jìn)一步細(xì)分為：

(a) 二元化合物半導(dǎo)體：

由兩種元素組成，比如常見的：

IV－IV族元素化合物半導(dǎo)體：碳化硅(SiC)；?

III－V族元素化合物半導(dǎo)體：砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)等；

II－VI族元素化合物半導(dǎo)體：氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)等；

IV－VI族元素化合物半導(dǎo)體：硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)

(b) 三元化合物半導(dǎo)體，由三種元素組成，比如：

由III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)及V族元素砷(As)所組成的合金半導(dǎo)體AlxGa(1-x)As即是一種三元化合物半導(dǎo)體。

(c) 多元化合物半導(dǎo)體：由三種及以上元素組成。

具有AxB(1-x)CyD(1-y)形式的四元化合物半導(dǎo)體可由許多二元及三元化合物半導(dǎo)體組成。例如，四元化合物GaxIn(1-x)AsyP(1-y)合金半導(dǎo)體是由磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)及砷化鎵(GaAs)所組成。

半導(dǎo)體分類見下圖：

四、為什么硅可作為半導(dǎo)體材料？

硅在元素周期表中排列第14位，最外層有14個(gè)電子，下圖是硅晶體結(jié)構(gòu)圖以及電子排布情況。每個(gè)硅原子在外圍軌道有四個(gè)電子，分別與周圍4個(gè)原子共用4對(duì)電子。這種共用電子對(duì)的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵(covalent bonding)。每個(gè)電子對(duì)組成一個(gè)共價(jià)鍵。

低溫時(shí)，電子分別被束縛在四面體晶格中，因此無法作電的傳導(dǎo)。但在高溫時(shí)，熱振動(dòng)可以打斷共價(jià)鍵。當(dāng)一些鍵被打斷時(shí)，所產(chǎn)生的自由電子可以參與電的傳導(dǎo)。而一個(gè)自由電子產(chǎn)生時(shí)，會(huì)在原處產(chǎn)生一個(gè)空缺。此空缺可由鄰近的一個(gè)電子填滿，從而產(chǎn)生空缺位置的移動(dòng)，并可被看作與電子運(yùn)動(dòng)方向相反的正電荷，稱為空穴(hole)。半導(dǎo)體中可移動(dòng)的電子與空穴統(tǒng)稱為載流子。

下圖中是空穴移動(dòng)的過程：

前面已經(jīng)提到，元素硅最外層有4個(gè)電子，這4個(gè)電子還有一個(gè)細(xì)節(jié)要提一下，4個(gè)電子分布在2個(gè)軌道上，類似人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，4個(gè)人造衛(wèi)星在2個(gè)空間軌道上繞地球旋轉(zhuǎn)。

我們知道半導(dǎo)體晶圓是硅元素組成的，硅原子按照晶體生產(chǎn)的方式長呈有序排列，從平面的角度來看硅原子的排列是這樣的：

從立體的角度看硅原子的排列是這樣的：

這種原子按照周期性排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)，關(guān)于晶體的介紹，有興趣可以看前面章節(jié)的介紹。

五、半導(dǎo)體相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

(1)能級(jí)和能帶

我們可以把原子想象成行星,圍繞原子周圍的電子想象成圍繞行星旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。

銀河系中當(dāng)兩個(gè)行星的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可以認(rèn)為這些行星有相同的能量。當(dāng)兩個(gè)行星逐漸接近時(shí)，由于行星之間的交互作用，包括其中任意兩個(gè)行星間的吸引力與排斥力，將造成能級(jí)的移動(dòng)。

有別于只有兩個(gè)行星時(shí)能級(jí)只是一分為二，當(dāng)銀河系中有很多個(gè)行星相互靠近時(shí)，此時(shí)能級(jí)將分裂成N個(gè)分離但接近的能級(jí)。當(dāng)N很大時(shí)，將形成連續(xù)的能帶，此N個(gè)能級(jí)可延伸幾個(gè)電子伏特，視行星的間距而定。

下圖是描述行星（原子）相互之間的距離和能級(jí)的關(guān)系：

現(xiàn)在回到半導(dǎo)體晶圓硅片的原子排布關(guān)系，在平衡狀態(tài)下的原子距離時(shí)，能帶將再度分裂，使得每個(gè)原子在較低能帶有4個(gè)量子態(tài)，而在較高能帶也有4個(gè)量子態(tài)。

在絕對(duì)零度時(shí)，電子占據(jù)最低能態(tài)，因此在較低能帶(即價(jià)帶)的所有能態(tài)將被電子填滿，而在較高能帶(即導(dǎo)帶)的所有能態(tài)將沒有電子，導(dǎo)帶的底部稱為Ec，價(jià)帶的頂部稱為Ev。

導(dǎo)帶底部與價(jià)帶頂部間的禁止能量間隔(forbidden energy gap)(Ec -Ev)稱為禁帶寬度Eg。

如下圖所示，在物理意義上，Eg代表將半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子斷鍵，變成自由電子，并將此自由電子送到導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴所需的能量。

自由電子的動(dòng)能可表示為：

E=P2/2M

其中p為動(dòng)量，m為自由電子質(zhì)量。

畫出E相對(duì)p的圖，將得到如圖所示的拋物線圖。

對(duì)硅而言，其動(dòng)量與能量曲線中價(jià)帶頂部發(fā)生在p＝0時(shí)，但導(dǎo)帶的最低處則發(fā)生在沿[100]方向的p＝pC。因此，當(dāng)電子從硅的價(jià)帶頂部轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶最低點(diǎn)時(shí)，不僅需要能量轉(zhuǎn)換(≥Eg),也需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換(≥pC)，見下圖（a）。

這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。

上圖(b)為砷化鎵的動(dòng)量－能量關(guān)系曲線，其價(jià)帶頂部與導(dǎo)帶最低處發(fā)生在相同動(dòng)量處(p＝0)。因此，當(dāng)電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，不需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。

這類半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。

(2)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體

金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種差異可用它們的能帶來作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。

導(dǎo)體(金屬)：金屬導(dǎo)體的電阻很低，其導(dǎo)帶不是部分填滿[如銅(Cu)]就是與價(jià)帶重疊[如鋅(Zn)或鉛(Pb)]，所以根本沒有禁帶存在，如圖所示。

因此,部分填滿的導(dǎo)帶最高處的電子或價(jià)帶頂部的電子在獲得動(dòng)能時(shí)(如從一外加電場)，可移動(dòng)到下一個(gè)較高能級(jí)。對(duì)金屬而言，因?yàn)榻咏紳M電子的能態(tài)處尚有許多未被占據(jù)的能態(tài)，因此只要有一個(gè)小小的外加電場，電子就可自由移動(dòng)，故金屬導(dǎo)體可以輕易傳導(dǎo)電流。

絕緣體：絕緣體如二氧化硅(SiO2)，其價(jià)帶電子在鄰近原子間形成很強(qiáng)的共價(jià)鍵。這些鍵很難打斷，因此在室溫或接近室溫時(shí)，并無自由電子參與傳導(dǎo)，如圖所示。

絕緣體的特征是有很大的禁帶寬度，在圖中可以發(fā)現(xiàn)電子完全占滿價(jià)帶中的能級(jí)，而導(dǎo)帶中的能級(jí)則是空的。熱能或外加電場能量并不足以使價(jià)帶頂端的電子激發(fā)到導(dǎo)帶。因此，雖然絕緣體的導(dǎo)帶有許多空的能態(tài)可以接受電子，但實(shí)際上幾乎沒有電子可以占據(jù)導(dǎo)帶上的能態(tài)，對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)很小，造成很大的電阻，因此無法傳導(dǎo)電流。

半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，且易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子的影響，其禁帶寬度較小(約為1eV)，如圖所示。

在T＝0K時(shí)，所有電子都位于價(jià)帶，而導(dǎo)帶中并無電子，因此半導(dǎo)體在低溫時(shí)是不良導(dǎo)體。在室溫及正常氣壓下，硅的Eg值為1.12eV，而砷化鎵為1.42eV。因此在室溫下，熱能kT占Eg的一定比例，有些電子可以從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。因?yàn)閷?dǎo)帶中有許多未被占據(jù)的能態(tài)，故只要小量的外加能量，就可以輕易移動(dòng)這些電子，產(chǎn)生可觀的電流。

(3)本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor) ：

當(dāng)半導(dǎo)體中雜質(zhì)遠(yuǎn)小于由熱產(chǎn)生的電子空穴時(shí)，此種半導(dǎo)體稱本征半導(dǎo)體。

(4)非本征半導(dǎo)體(extrinsic semiconductor)：

當(dāng)半導(dǎo)體被摻入雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體變成非本征的(extrinsic)，而且引入雜質(zhì)能級(jí)。

本征半導(dǎo)體可以理解為炒一盤大白菜，什么調(diào)料也不加，大白菜本身的味道是什么就是什么，稱為本征。

非本征半導(dǎo)體可以理解為同樣是炒大白菜，在里面加入不同的調(diào)料，做出來的菜呈現(xiàn)了不同的味道。

正是因?yàn)樵诩尤氩煌{(diào)料有不同的味道時(shí)，人們對(duì)于半導(dǎo)體的摻雜應(yīng)用就進(jìn)一步廣泛了。

(5)施主(donor)：

我們知道晶圓是硅原子組成的，硅最外層有4個(gè)電子，有人想到一個(gè)點(diǎn)子，如果把外層有5個(gè)電子的砷元素加入到晶圓中，一個(gè)硅原子被一個(gè)帶有5個(gè)價(jià)電子的砷原子所取代(或替補(bǔ))。此砷原子與4個(gè)鄰近硅原子形成共價(jià)鍵，而其第5個(gè)電子有相當(dāng)小的束縛能，能在適當(dāng)溫度下被電離成傳導(dǎo)電子。

通常我們說此電子被施給了導(dǎo)帶，砷原子因此被稱為施主。由于帶負(fù)電載流子增加，硅變成n型半導(dǎo)體(英文單詞Negative首字母)，通過下圖了解一下：

(6)受主(acceptor)：

同樣的道理，在一片由硅原子生長的晶圓中，當(dāng)一個(gè)帶有3個(gè)價(jià)電子的硼原子取代硅原子時(shí)，需要接受一個(gè)額外的電子，以在硼原子四周形成4個(gè)共價(jià)鍵，也因而在價(jià)帶中形成一個(gè)帶正電的空穴(hole)。

此即為p型(Positive)半導(dǎo)體，而硼原子則被稱為受主。

六、半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)

半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的傳導(dǎo)電子并不與任何特殊晶格或施主位置結(jié)合，因此基本上它們是屬于自由粒子。在熱平衡下，一個(gè)傳導(dǎo)電子存在熱運(yùn)動(dòng)(速度vth)。在室溫下，硅及砷化鎵中的電子熱運(yùn)動(dòng)速度約為10E7cm/s。

半導(dǎo)體中的電子會(huì)在所有的方向作快速移動(dòng)，如下圖所示。

當(dāng)一個(gè)小電場E施加于半導(dǎo)體樣品上時(shí)，每一個(gè)電子會(huì)從電場上受到一個(gè)qE的作用力，碰撞時(shí)，沿電場的反方向加速。因此，一個(gè)額外的速度成分將再加到熱運(yùn)動(dòng)的電子上，此額外速度成分稱為漂移速度(drift velocity)。

一個(gè)電子由于隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)及漂移成分兩者所造成的位移如下圖所示。

需要注意的是，電子的凈位移與施加的電場方向相反（因?yàn)殡娮訋ж?fù)電荷）。

這種在外電場作用下載流子的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

下圖(a)為一n型半導(dǎo)體及其在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖。圖(b)為一電壓施加在右端時(shí)所對(duì)應(yīng)的能帶圖。

假設(shè)左端及右端的接觸面均為歐姆接觸，在外加電場的影響下，載流子的運(yùn)輸會(huì)產(chǎn)生電流，稱為漂移電流(drift current)。

(7)霍耳效應(yīng)

在一個(gè)半導(dǎo)體中，載流子的濃度可能不同于雜質(zhì)的濃度，因?yàn)殡婋x的雜質(zhì)濃度與溫度以及雜質(zhì)能級(jí)有關(guān)。而直接測(cè)量載流子濃度最常用的方法為霍耳效應(yīng)?；舳鷾y(cè)量也是能夠展現(xiàn)出空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一，因?yàn)闇y(cè)量本身即可直接判別出載流子的型態(tài)。

測(cè)量方法：考慮對(duì)一個(gè)p型半導(dǎo)體樣品施加沿x軸方向的電場及沿z軸方向的磁場，如圖所示。

由于磁場作用產(chǎn)生的洛倫茲力qv×B(=qvxBz)將會(huì)對(duì)在x軸方向流動(dòng)的空穴施以一個(gè)向上的力，這將造成空穴在樣品上方堆積，并因而產(chǎn)生一個(gè)向下的電場Ey 。

一旦電場Ey變得與vxBz相等，空穴在x軸方向漂移時(shí)就不會(huì)受到一個(gè)沿y軸方向的凈力。此電場的建立即為霍耳效應(yīng)。上式中的電場稱之為霍耳電場，兩端電壓VH=EyW稱為霍耳電壓。

(8)雪崩過程 (avalancheprocess)：

當(dāng)半導(dǎo)體中的電場增加到超過某一定值時(shí)，載流子將得到足夠的動(dòng)能來通過雪崩過程產(chǎn)生電子–空穴對(duì)，如下圖所示。

考慮一個(gè)在導(dǎo)帶中的電子1，假設(shè)電場足夠高，此電子可在晶格碰撞之前獲得動(dòng)能。當(dāng)與晶格碰撞時(shí)，電子消耗大部分動(dòng)能使化學(xué)鍵斷裂，也就是將一個(gè)價(jià)電子從價(jià)帶電離至導(dǎo)帶，因而產(chǎn)生一個(gè)電子–空穴對(duì)2與2′。產(chǎn)生的電子–空穴對(duì)在電場中開始被加速并與晶格發(fā)生碰撞，它們將產(chǎn)生其他電子–空穴對(duì)，如3與3′和4與4′，依此類推，這個(gè)過程稱為雪崩過程，亦稱碰撞電離(impactionization)過程，它將導(dǎo)致p–n結(jié)的結(jié)擊穿(junction breakdown)。

結(jié)擊穿后，半導(dǎo)體導(dǎo)電性將發(fā)生改變，不再具有半導(dǎo)體相關(guān)特性，器件失效。

審核編輯：黃飛