半导体器件

半导体材料

固态材料通常分为三类:绝缘体、半导体和导体。(在低温下一些导体、半导体和绝缘体可能成为超导体。)图1显示了导率σ(和相应的电阻率ρ= 1 /σ)与一些重要的相关材料的三个类。绝缘体,如熔凝石英和玻璃,导率非常低,在10⁻¹⁸到10⁻¹⁰西门子每厘米;和导体,如铝、导率很高,一般从10⁴到10⁶西门子/厘米。半导体的导率在这些极端情况之间。

半导体的电导率通常是对温度敏感,照明,磁场,微量杂质原子。例如,增加不到0.01%的一种特殊的杂质可以提高半导体的导电性四个或多个数量级(也就是说,10000次)。半导体导电性由于杂质原子的范围给出了五个常见的半导体图1。

半导体材料的研究始于19世纪早期。多年来,许多半导体进行了调查。的表显示的一部分元素周期表与半导体相关。的元素半导体是指由单一种类的原子,如硅(Si),锗(Ge)、灰锡(Sn)在第四列和硒(Se)和碲(Te)在列第六。然而,许多复合半导体是由两种或两种以上的元素组成的。砷化镓(砷化镓),例如,是一个二进制III-V化合物,这是一个组合(Ga)从第三列和砷镓()从列V。

三元化合物可以从三个不同的列,由元素,例如,碲化汞铟(HgIn₂Te₄),II-III-VI化合物。他们也可以由两列的元素,如砷化镓铝(Al_x遗传算法_1−x),这是一个三元III-V化合物,艾尔和Ga来自列三世和下标x有关作文两个元素的100% Al (x= 1)Ga (100%x= 0),纯硅是最重要的材料集成电路应用程序和III-V二元和三元化合物最重要的光发射。

前发明了双相晶体管1947年,半导体两端设备,仅用作整流器和二极管等。在1950年代早期,锗是重要的半导体材料。然而,事实证明不适合许多应用程序,因为设备的材料表现出高温泄漏电流仅轻度升高。自1960年代初以来,硅谷成为实用的替代品,几乎取代锗作为半导体制造的材料。主要的原因是双重的:(1)硅设备表现出更低的泄漏电流,和(2)高质量二氧化硅(SiO₂),它是一个绝缘体,很容易产生。硅技术现在是到目前为止最先进的半导体技术,在所有和硅设备吗构成全球超过95%的所有半导体硬件销售。

许多化合物半导体的电子和光学性质,在硅都不存在。这些半导体,特别是砷化镓,主要用于高速和光电应用程序。

电子性质

这里的半导体材料治疗是单身晶体- - - - - -也就是说,原子排列在一个三维周期性的时尚。图2一个显示了一个简化的二维表示内在硅晶体,很纯,包含一个极小数量的杂质。晶体中的每个硅原子被4个最近的邻国。每个原子在其外层有四个电子轨道,与四个邻国共享这些电子。每个共享电子对构成一个共价键。电子,原子核的引力把两个原子结合在一起。

在低温下电子束缚在各自位置晶体;因此,它们不能用于电传导。在更高的温度下热振动可能会破坏一些共价键。一个债券收益率的打破自由电子能够参与电流传导。一旦电子远离共价键,有一个缺电子的键。这一缺陷可能是由一个邻近的电子,导致缺陷位置的转变从一个站点到另一个地方。因此,这一缺陷可能被视为类似于一个电子的粒子。这个虚构的粒子,被称为一个洞,带有正电荷和移动的影响下一个应用电场,在一个方向相反的一个电子。

对于一个孤立的原子,原子的电子只能有离散能量水平。当大量的原子聚集在一起形成一个晶体,原子之间的相互作用导致离散能量水平展开能源的乐队。当没有热振动(也就是说,低温),电子半导体将完全填补能源乐队,乐队空留下剩余的能量。满带称为最高价带。下一个更高的频带导带从价带中分离出来的一个能源缺口。这种能量差距,也称为能带隙,是一个地区指定能量,半导体中的电子不能拥有。最重要的半导体带隙范围在0.25到2.5 eV。例如,硅的能带隙1.12 eV和砷化镓是1.42 eV。

正如上面所讨论的,在有限的温度下热振动将打破一些债券。当一个键坏了,一个自由电子,还有一个免费的洞,结果,也就是说,电子具有足够的热能穿过能带到传导带,在价带中留下一个洞。当电场应用于半导体,电子在导带和价带的空穴动能和导电