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閱讀：446發(fā)布時(shí)間：2024-7-22
(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)。
在零度時(shí)，電子占據(jù)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)，電子在能帶或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。
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