半导体的基本特性(精)

半導體的基本特性

自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。

電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析（見圖一）。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。

在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。

以矽半導體為例，能隙Eg為1.1電子伏特，在室溫（300 K）下，熱能打斷價鍵而產生電子和電洞的速率，與電子和電洞的再結合速率達到平衡時，電子的密度約為1.5×1010cm-3。因為矽的原子密度約為5×1022cm-3，可知因室溫熱能而被打斷的價鍵數，在比例上是微乎其微的。在電子被釋放出來的同時，必然留下一帶正電荷的電洞在價帶上

（見圖一（a））。溫度越高，被熱能釋放出來的電子和電洞的數量也越多。因此，純半導體（又稱本質半導體）的導電性遂因溫度的升高而增大，這與金屬導體的電阻隨溫度的升高而變大的現象，正好相反。

我們再以矽半導體為例，來探討雜質的摻入對於半導體導電性的影響。矽是一種四價的元素。如果我們將五價元素，如最常用的磷（P）或砷（As）等摻入矽晶體內，使其取代某些矽原子，則該等五價元素多出的一個電子，在矽晶結構內受到的束縛力非常薄弱，在室溫時即已絕大部分游離而成自由電子。這類五價元素摻雜在矽晶內因為可提供自由電子，所以稱為施體（donor），其能階ED非常靠近導電帶（見圖一（b）），而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。

同理，我們如將三價元素如硼（B）等摻入矽晶體內，則在其取代矽原子的位置後，因為少了一個價電子，所以會從別處接受一個額外電子以便形成四個圍繞在硼原子外的共價鍵，結果在價帶內造成一個帶正電的電洞。這類三價元素，稱為受體（acceptor），其能階EA非常靠近價帶（見圖一（c）），而接受一個額外電子後的受體離子則帶負電。這種半導體稱為p型半導體，其費米能階E比較靠近價帶。p型半導體內的電洞數量遠比電子為多，是電流傳導的主要載子。

在實用上，不論n型或p型，雜質摻入濃度大多在1013~1019Cm-3之間。由於絕大部分的施體或受體雜質在室溫時均已游離，所以n型半導體內的電子濃度大約等於施體雜質濃度，而p型半導體內的電洞濃度也大約等於受體雜質濃度。又因該等載子濃度遠比純半導體內的電子、電洞濃度為大，因此雜質摻入濃度的多寡，實際上相當有效地控制了半導體的導電性。常用矽晶半導體晶圓的電阻係數，大多介於0.001～1000Ω-cm之間，約相當於載子濃度在1019~1013Cm-3的範圍。

圖一 說明 :半導體能帶圖，（a）本質半導體；（b）n型半導體；（c）p型半導體。

pn接面

pn接面是各種半導體元件不可或缺的基本結構p型和n型半導體緊密結合（見圖二（a）），則P型區的多數載子電洞必然向電洞濃度較低的n型區擴散；同時，n型區的多數載子電子也必然向電子濃度較低的p型區擴散。結果，在冶金接面的左右兩側，由於上述電洞和電子的離去，而形成一空乏區。空乏區內缺少電洞和電子，卻因電洞和電子的離去，而分別留下帶負電的游離受體和帶正電的游離施體，而在空乏區內建立一由n型區指向p型區的電場。在熱平衡狀態下，空乏區的電場正好完全抵消，p型區的電洞向n型區擴散以及n型區的電子向p型區擴散的趨勢。熱平衡狀態下pn接面的能階，如圖二（b）所示，費米能階保持固定。n型端相對於p型端高出一內建電位Vbi（也就是界面兩側的電位差），但對電子而言，n型端的能階比p型端的能階低qvbi。

現在，假設有一順向偏壓VF加於pn接面。所謂順向偏壓係將偏壓的正壓端加於p型端，負壓端加於n型端。此時，對電子而言，p型端的各能階向下移，而n型端的各能階向上移，使pn兩端的能階差距縮小為q（Vbi-VF）。於是，n型區的大量電子得以越過降低了的能障進入p型區，而p型區的電洞也得以大量進入n型區。（註：對於帶正電荷的電洞而言，能階圖必須倒轉，愈下面的能階代表愈高的能量。）這兩股電子流和電洞流共同構成一股由p型區經過接面進入n型區的大電流，稱為順向電流。反之，假設加於pn接面的為一反向偏壓VR，亦即偏壓的正壓端加於n型端，負壓端加於p型端，則pn兩端間的能階差距擴大為q（Vbi+VR），使得n型區的電子無法進入p型區，p型區的電洞也無法進入n型區。然而，從能階圖可知，p型區的少數載子（電子）和n型區的少數載子（電洞），仍然可以不費力的進入對方，而構成一由n型區經過接面進入p型區的小電流，稱為反向電流。反向電流通常很小，而且隨反向偏壓的增大而趨近於一飽和值。

理想pn接面的電流電壓關係可表示為I=Io(eqv/kT-1)

式中Io為反向飽和電流，q為基本電荷量，k為波茲曼常數，T為絕對溫度。電流電壓特性如圖二（c）所示。順偏時（v＞0），極小電壓即可導通大電流；反偏時（v＜0），僅有極小量的電流流通。

圖二 說明 : （a）pn接面；（b）熱平衡狀態之能帶圖；（c）電流電壓特性。

雙極性電晶體

雙極性電晶體是最重要的半導體元件之一，於1947年在美國貝爾實驗室（Bell Labs）首先發明。以矽質pnp雙極性電晶體為例，其基本結構如圖三（a）所示。基本上，電晶體是在p型基底上先形成n型區，然後在n區上形成p+區。最後，在p+及n區，還有底部的p區經氧化層開窗後，再作金屬接觸。圖三（b）為理想化雙極性電晶體的一維構造，可視為沿著圖三（a）虛線截開後之構造圖。高濃度摻雜p+區為射極，較窄的中間區域為基極，而低濃度摻雜p+區為集極。在正常操作下，射－基極接面順向偏壓，而集－基極接面反向偏壓。圖三（b）所示為接成共基極接線之電晶體放大器圖，亦即基極與輸入和輸出電路共用。

因為射－基極接面順向偏壓，電洞由p射極注入（或發射）到基極，而電子由n基極注入射極。在理想接面情況下，這兩個電流之和構成總射極電流。又因一般電晶體的p+射極摻雜濃度遠大於n基極摻雜濃度，故由p+射極注入到基極的電洞電流，遠大於由n基極

注入射極的電子電流，因而總射極電流主要是由p射極注入到基極的電洞電流所構成。

由於電晶體的基極寬度很窄，因此由射極注入的電洞絕大部分可以擴散通過基極而到達反向偏壓的基－集極空乏區邊緣，然後漂移到集極。所以，基－集極雖然反向偏壓，集極電洞電流實際上非常相近於射極電洞電流，也非常相近於總射極電流。射極電流是受到射－基極順向偏壓所控制的。射－基極順向偏壓的微小變化，可以導致射極電流和反向偏壓集極電流的大幅度變化，而在輸出電路產生大功率輸出，此為電晶體動作和放大的原理。圖三（c）所示為共基極接法之pnp電晶體輸出特性。

從上面的分析，我們可以想見只有在兩個接面相當接近時，才可能有電晶體的作用。若兩個接面距離很遠，則由射極注入的電洞在未抵達基－集接面前已和基極內的電子結合而消失，不可能有電晶體的動作發生，而此pnp結構只相當於兩個背對背連接的pn二極體而已。pnp電晶體的互補型構造為npn電晶體，兩者動作原理相同，只需將電洞和電子的角色互換，並將電流流通方向和電壓極性反過來。

圖三 說明 : 矽pnp雙極性電晶體，（a）透視圖；（b）共基極接法之理想化：一維電晶體放大器；（c）共基極接法之輸出特性。

金氧半場效電晶體

金氧半場效電晶體（MOSFET），為金屬-氧化層-半導體場效電晶體的簡稱，是當今超大型積體電路（VLSI）的最重要元件。金氧半場效電晶體是一種單極性元件。所謂單極性元件是指在傳導過程中，只有一種載子主要參與之半導體元件。圖四所示為n通道MOSFET之基本結構圖。整體結構包括p型半導體基底和兩個n+區，分別為源極和汲極。在氧化層上面的金屬接觸稱為閘極。高摻雜濃度的複晶矽，或矽化物與複晶矽的混合，亦可用為閘極。閘極氧化層通常很薄，厚度只有數百埃（Å）。

設以源極接點作為元件的參考電壓。若閘極不加電壓，則源極至汲極間相當於兩個背對背相接的pn接面，雖在兩極間加以電壓，但不會有電流導通。若閘極加上足夠的正電壓，則建立在閘極下的氧化層內的強電場，可將p型基底的電子吸引到靠近氧化層的基底表面，使得基底表面由原來的p型反轉成n型，因而在兩個n+區間形成一條表面n通道，

可以導通大量的電流於源極和汲極之間。此通道的導電率可經由閘極電壓的大小來加以控制。圖四（c）所示為，n通道增強型MOSFET之輸出特性曲線。我們若將信號輸入閘極，則由相對應的汲極電流ID的變化，可在輸出電路的負載端得到放大的信號。

n通道MOSFET的互補型構造為p通道MOSFET，兩者動作原理相同，但電壓極性相反，在p-通道中傳導的載子是電洞，而非n-通道中的電子。有一種將n-通道和p-通道MOSFET結合而成的互補型金氧半場效電晶體電路，簡稱「CMOS電路」，具有低功率消耗之特性。 CMOS技術是當今半導體技術發展的一個重要環節。

圖四 說明 : n通道金氧半場效電晶體，（a）透視圖；（b）截面圖；（c）輸出特性曲線。

微波半導體元件及光半導體元件

微波的頻率範圍約從1GHz到1000GHz,其相對波長為30～0.03cm。半導體元件中有許多是可以工作在微波區域的。蕭基二極體（Schottky diode）、穿透二極體（tunnel diode）和撞擊游離崩渡時二極體（impact ionization avalanche transit time diode，簡稱IMPATT diode）是其中較常見的微波半導體元件。

蕭基二極體是一種金屬－半導體接觸，主要傳輸機構為：多數載子從半導體經由熱發射，越過接觸能障進入金屬；是一種具有整流特性的整流接觸，反應速度較諸依靠少數載子運作的pn接面二極體為快。穿透二極體的結構只是一個簡單的pn接面，但p與n區的雜質濃度都很高，空乏區變得非常窄，使得n區的電子可以直接穿透（而不是越過）空乏區的能障而進入p區。因為穿透的時間非常短，使得它能適用於毫米波區域（約從3～300GHz範圍）。

IMPATT二極體族裡包含了許多不同的pn接面和金屬半導體接觸，其中一種由Read所提出的結構包含了一個n+pip+的組合，就中i代表雜質濃度極小的本質半導體區。在反偏壓時，IMPATT二極體利用撞擊游離及過渡時間特性，來使半導體元件產生微波頻率範圍內的負電阻值，是一種最有效的固態微波功率來源之一。

光半導體元件是一種發射、偵測，或吸收光子而運作的半導體元件。光半導體元件的基本結構，仍然是pn接面。主要的光半導體元件包括發光二極體（LED）、半導體雷射、光偵測器及太陽能電池。適當半導體材料的pn接面在順偏壓下，能夠發射自然輻射於紫外光、可見光，或紅外光區域內。發光二極體在儀表展示及光纖通訊上的應用十分廣泛。半導體雷射是一種特殊半導體材料pn接面，具有共振腔的結構，在順偏壓下能夠發射單色光及方向性光束。半導體雷射由於體積非常小，高頻調變容易，已成為光纖通訊中最重要光源之一，而且在視頻紀錄、光讀取及高速雷射印刷上廣為應用。

光偵測器利用光子入射在反偏的pn接面產生電荷載子（即電子電洞對），並使這些載子傳輸而與外接電路作用，提供輸出信號，是一種將光信號轉換為電信號的半導體元件，應用非常廣泛。

太陽能電池的基本結構也是pn接面。太陽光照射在pn接面區，凡光子能量高於半導體能隙Eg者，將被吸收而對電池的輸出造成貢獻，是一種將光能轉換為電能的半導體元件。太陽能電池在太空中可提供衛星之長期電源供應，在地球上也是一種取之不盡、用之不竭而且不製造污染的能源。