半导体物理简介new

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1、半導體物理簡介半導體物理簡介1.半導體材料介紹半導體的種類半導體的鍵結與晶格結構半導體中的導電載子---電子與電洞產生與復合帶溝與半導體的光電特性半導體的摻雜2.半導體之導電行為移動電流與擴散電流多出載子的傳導行為1半導體物理簡介本章是要簡介以半導體為基礎的近代電子學中的基本概念，包括半導體材料、基本半導體元件，以及應用。這裡僅提供簡單且直覺的物理圖像，嚴謹的探討與推導公式不在描述的範圍內。電子技術的進步造就了我們目前資訊電腦產業的發展，更改變了我們日常生活形態，甚至人類的思考模式、文化活動以及國家間之政治與軍事的互動。電子技術中的主角就是半導體。因此，我們將由半導體材料的種類及特性

2、開始介紹，並就他的重要導電行為加以討論，再來介紹最基本的半導體元件---二極體。對於二極體有了初步瞭解後，三極體（或稱為雙極電晶體BJT）的特性就很容易能夠掌握。場效電晶體（FET）的操作原理和三極體完全不相同，這裡會特別介紹在近代電腦中用得最多的金氧半場效電晶體（MOSFET）。除了基本元件的原理描述外，對於一些特殊功能的元件，例如發光二極體、二極體雷射、高頻電晶體等，均將略加介紹。最後我們將就積體電路技術的內容及發展做簡短的描述，並探討他們在現代人類生活中扮演的角色。1半導體材料半導體(semiconductor)顧名思義係指導電度介於導體與絕緣體的物質，圖1將一些常見材料依其導

3、電度（下方橫軸）標出，上方橫軸所標示的是對應的電阻-83率。半導體的導電度大約介於10到10S/cm之間，範圍相當的廣，即使是同一半導體材料的分布也很大，這主要是由於半導體的導電性很容易受到雜質、溫度及光照等製備及環境條件的影響。也正是由於半導體的這個多變的特性，使得他能夠有多樣性的應用。圖1一些常見材料依其導電度（下方橫軸）及電阻率（上方橫軸）標出。半導體的種類半導體材料依其構成的元素可分為元素半導體（elementsemiconductors）以2半導體物理簡介及化合物半導體(compoundsemiconductors)。元素半導體，例如矽(silicon,Si)、鍺(germ

4、anium,Ge)，由單一的四價元素（有四個價電子）所形成。常見化合物半導體又可依照成分元素的週期表分類分為四四族化合物半導體（如碳化矽SiC、矽鍺合金等）、三五族化合物半導體（如砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN、磷化鎵GaP、砷化銦InAs等二元化合物，及砷化鋁鎵AlGaAs、磷化銦鎵GaInP、氮化銦鎵GaInN、磷砷化銦鎵InGaAsP等三元或四元化合物）、以及二六族化合物半導體（如硫化鎘CdS、鍗化鎘CdTe、硫化鋅ZnS等）。圖2是週期表內二價到六價的元素，大部分的半導體是由這些元素所組成。圖2和半導體相關之週期表元素半導體中的矽是目前工業中最主要的半導體材料，其原因在於矽在地

5、球表殼中存量豐富，又能在上面長出品質良好的氧化層，適合大規模的積體電路的製作。其他半導體則依其特性各有不同的用途，例如三五族半導體有優良的發光特性以及快速的電子傳導特性，因此在光電產業及通訊電子方面就佔有非常重要的角色。半導體的鍵結與晶格結構半導體的特性和其組成原子間的鍵結以及晶格結構有密切的關係。以矽和鍺為例，原子最外層有四個價電子，若最鄰近原子數為4，則原子間的鍵結形式為3所謂的sp混成軌道形成之共價鍵(covalencebond)，所形成的晶格結構和鑽石相同，稱為鑽石結構(diamondstructure)，圖3(a)是他的一個單位立方晶格中原子排列的情形，實際的結構就是以此為

6、單位重複的在空間中排列。鑽石結構可以看成是兩個相同的面心立方晶格（由正立方體8個頂點及6個面的中心點組成），在沿著對角線方向相錯四分之一個對角線長度排列。我們可以看出鑽石結構是一個很空洞的結構。三五族化合物半導體（例如砷化鎵）的平均價電子數也是4，五族元素多出1個電子剛好補足三價元素之不足，因此可以形成和鑽石結構類似的晶格，稱做閃3半導體物理簡介鋅(Zincblende)結構，如圖3(b)所示，其中每一個三族元素（鎵）有4個最鄰近的五族元素（砷），同樣的每一個五族元素（砷）有4個最鄰近的三族元素（鎵）。圖3常見的半導體晶格結構：(a)鑽石結構，(b)閃鋅結構。並非所有的化合物半導體都

7、是閃鋅結構，有一些二六族化合物半導體，例如硫化鎘及硫化鋅等，則形成以六方晶格為基礎之烏采(Wurtzite)結構，原子密度較閃鋅結構緻密。這些化合物用途較侷限，在此不再詳述。在討論半導體的鍵結與導電特性時，如圖3之立體圖使用上並不方便，通常我們可以將三維的鍵結用二維的圖像代表。在圖4中每一個矽原子在同一平面有四個最鄰近原子，各原子間以一個共價鍵連結，而每一個共價鍵由兩個電子組成。這裡還要強調一下，這個平面圖像只是為了討論方便，實際的結構還是要回歸到三維的排