半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(編輯修改稿)
2025-02-09 12:26 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 填補這個空位，就在這個鄰近價鍵上形成了一個新的空位，這就是 “ 空穴 ” 。硼原子在接受了鄰近價鍵的價電子而成為一個帶負(fù)電的負(fù)離子，它不能移動，不是載流子。因此在產(chǎn)生空穴的同時沒有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱 P型半導(dǎo)體。圖 P型半導(dǎo)體材料的能帶圖，為半導(dǎo)體材料提供一個空穴的 Ⅲ 族雜質(zhì)原子，通常稱之為受主雜質(zhì)。 空鍵 接受電子 空穴 圖 導(dǎo)帶 電離能 價帶 受主 能級 圖 實際，一塊半導(dǎo)體中并非僅僅只存在一種類型的雜質(zhì)，常常同時含有施主和受主雜質(zhì)，此時，施主雜質(zhì)所提供的電子會通過 “ 復(fù)合 ” 而與受主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，使總的載流子數(shù)目減少，這種現(xiàn)象就成為“ 補償 ” 。在有補償?shù)那闆r下，決定導(dǎo)電能力的是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質(zhì)濃度近似相等時，通過復(fù)合會幾乎完全補償，這時半導(dǎo)體中的載流子濃度基本上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生的自由電子和空穴的濃度。這種情況的半導(dǎo)體稱之為補償型本征半導(dǎo)體。 在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生過程中，實際上就是依據(jù)補償作用，通過摻雜而獲得我們所需要的導(dǎo)電類型來組成所要生產(chǎn)的器件。 在摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占大多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來決定，所以，在 P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在 N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強。 一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用，即這塊半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)，此時半導(dǎo)體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。 半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，人們把處于非平衡狀態(tài)時，比平衡狀態(tài)載流子增加出來的一部分載流子成為非平衡載流子 。 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 當(dāng)引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時間逐漸減少消失的，他們的存在時間有些長些，有些短些，有一個平均的存在時間，這就是我們所說的 “ 非平衡載流子的壽命 ” 。半導(dǎo)體內(nèi)部和表面的復(fù)合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。 非平衡載流子也就是由于外界因素引起產(chǎn)生的電子 — 空穴對復(fù)合的主要方式有三種：直接復(fù)合，間接復(fù)合和表面復(fù)合。 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 直接復(fù)合 電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇放出光子或引起熱運動而復(fù)合，復(fù)合的過程在是電子直接在能帶間躍進，中間無須經(jīng)過任何間接過程，這種復(fù)合稱為直接復(fù)合。一般的雜質(zhì)半導(dǎo)體壽命是和多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說半導(dǎo)體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機會與多數(shù)載流子相遇復(fù)合，所以壽命就越短 。 圖 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 間接復(fù)合 某些雜質(zhì)元素即使是很少量地存在于半導(dǎo)體材料中便對材料的壽命數(shù)值有決定性的影響，晶體中的缺陷也有類似的作用，這說明晶體中的雜質(zhì)原子和缺陷有促進非平衡載流子的復(fù)合作用。這種復(fù)合與直接復(fù)合不同，它是通過禁帶中某些雜質(zhì)（缺陷）能級做為 “ 跳板 ” 來完成的。 靠禁帶中的雜質(zhì)（缺陷）能級俘獲導(dǎo)帶中的電子與滿帶中的空穴在其上面間接進行復(fù)合的稱之為間接復(fù)合，那些起復(fù)合作用的雜質(zhì)（缺陷）能級被稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心是不斷地起著復(fù)合作用，而不是起了一次復(fù)合作用就停止了。通過復(fù)合中心的間接復(fù)合過程比直接復(fù)合過程強得多。這是因為間接復(fù)合過程每次所要放出的能量比直接復(fù)合的要少，相當(dāng)于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復(fù)合過程大多情況下決定著半導(dǎo)體材料得壽命值。 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 圖 直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成得，所以也稱為“體內(nèi)復(fù)合”。 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 半導(dǎo)體表面吸附著外界空氣來的雜質(zhì)分子或原子，半導(dǎo)體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)在表面中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導(dǎo)體在加工過程中在表面留下的嚴(yán)重?fù)p傷或內(nèi)應(yīng)力，造成在體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質(zhì)和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級，表面復(fù)合就是依靠表面能級對電子空穴的俘獲來進行復(fù)合的。實際上表面復(fù)合過程屬于間接復(fù)合，此時的復(fù)合中心位于半導(dǎo)體材料的表面。 非平衡載流子的復(fù)合及其壽命 半導(dǎo)體表面 表面復(fù)合 中心能級 E2 表面復(fù)合
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