半导体:原理与发展(一)历史、物理原理与二极体

发布时间:2020-06-20

半导体材料是一种导电性可受到控制的材料,有别于绝缘体和导体,其电阻是可以受到施加于两侧的电压所控制。因而使我们能够自动控制各类电子仪器。

    半导体发展史

半导体技术发展至今已有一百多年的历史,于 1883 年,法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867) 发现硫化银的电阻与普通的金属不同:我们知道普通金属的电阻会随着温度上升而增加,这是因为温度上升使得晶格原子振动加剧,所以在金属中自由运动的电子和晶格原子以及其中的缺陷碰撞的机率增加的缘故;然而,硫化银的的电阻却会随着温度的上升而降低。我们现在知道,这是因为硫化银是一种半导体,而半导体的一个特性就是其电阻会随着温度的上升而降低。

在二战前,人们已开始着手对半导体的研究,但是半导体技术的突破却要一直等到 1948 年,美国贝尔实验室的三位科学家—萧克立 (William Shockley, 1910-1989)、巴丁 (John Bardeen, 1908-1991) 和布莱坦 (Walter Houser Brattain, 1902-1987) 发明了双极性电晶体 (Bipolar transistor) 后,半导体产业才开始蓬勃发展,而三人也获得了 1956 年的诺贝尔物理奖。如今,在家电、3C 产品、汽车、电器里面都见得到半导体的蹤迹。

    半导体物理
半导体:原理与发展(一)历史、物理原理与二极体

图一、(a) 一个参杂硼的硅晶体。(b) 一个硅原子的电子移动到硼上,空出来的部分形成电洞。(本文作者李品仪绘)

电洞在固态物理学中指共价键上流失一个电子,最后在共价键上留下空位的现象。上图 (a) 显示了一个参杂了硼的硅晶体结构,我们知道硅为四价,而硼为三价,原本所有的原子都是电中性的,由于半导体中的禁带较小,电子从价带被激发到导带的能量不大,当电子被激发到导带时,会在价带中留下电洞,我们可以将电洞的运动视为一个具有正电性的粒子在运动。我们称此种半导体为 p 型半导体,载子(carrier,即为可以自由移动的带有电荷的物质微粒)为电洞。

相对的,我们也可以在硅中参杂五价原子,例如磷。由于磷比电中性的硅多一个电子,因此载子是带负电的电子。

    pn 接面 (pn junction)

最简单的半导体应用为二极体 (diode),为一个 n 型半导体和 p 型半导体接在一起,由于 n 型半导体电子多,因此在交接处会有部分电子跑去填补 p 型半导体的电洞,留在 n 型的地方就带正电,而 p 型半导体交接处会带负电(也可以用扩散的想法去解释:n 型半导体电子多,p 型半导体电洞多,因而往反方向扩散),如下图所示:

半导体:原理与发展(一)历史、物理原理与二极体

图二、二极体示意图。(本文作者李品仪绘)

由于这个因素,根据高斯定律(即,穿越出任意闭合曲面的净电通量等于该闭合曲面内的净电荷除以电容率),这个接面会形成电场,使 pn 接面附近只剩下不可移动的带电离子,失去了电中性变为带电,形成了空乏层。空乏区内有一内建电压 (built-in potential),大小约 0.7 V 左右。

当 p 型半导体处的电位较 n 型半导体的电位高时,即为顺向偏压的现象 (Forward Bias),电子回到 n 型半导体,而电洞回到 p 型半导体,此时空乏区宽度缩小,电压和电流的关係式为:

$$\displaystyle I=I_s\left[e^{\frac{eV}{nkT}-1}\right]$$

$$I_s$$ 为逆向偏压饱和电流(密度),以硅半导体为例,通常在 10-18~10-12 A/cm2 之间,k 为波兹曼常数,T 为温度,n 为一个介于 1 和 2 之间的常数,和流入电流大小有关,由于二极体电流大小增加方式为指数函数增加,增加得很快,因此我们一般假设 n = 1。

而当 n 型半导体处的电位较 p 型半导体的电位高,即前述状况相反时,空乏区宽度会变大,因此在一般情况下并不会导通;然而,当逆向偏压过大时,pn 接面附近的载子会拥有很大的动能,会和中性粒子碰撞,使中性粒子分离出价电子对而产生电洞—电子对。

因而使逆向偏压电流急遽增加,齐纳二极体 (Zener Diode) 就是一个很好的例子。如果我们需要更大的电压时,则需串联很多的二极体,使用上不是很方便。我们可使用齐纳二极体简化电路。

连结:半导体:原理与发展(二)电晶体简介


参考文献

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