半導體中的雜質
- 2012-3-31 16:12:07
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半導體 半導體中的雜質 |
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簡介
半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時，雜質原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態，在禁帶中產加的雜質能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成共價結合，多余的一個電子被束縛于雜質原子附近，產生類氫能級。雜質能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主，相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多（圖2）。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時，雜質原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態就是雜質能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發到雜質能級上填補這個空位，使雜質原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子（圖3）。這種能提供空穴的雜質稱為受主雜質。存在受主雜質時，在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產生的熱激發或光激發都會使自由載流子數增加而導致電阻率減小，半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據此原理制成的。對摻入施主雜質的半導體，導電載流子主要是導帶中的電子，屬電子型導電，稱N型半導體。摻入受主雜質的半導體屬空穴型導電，稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產生電子-空穴對，故N型半導體中可存在少量導電空穴，P型半導體中可存在少量導電電子，它們均稱為少數載流子。在半導體器件的各種效應中，少數載流子常扮演重要角色。
PN結
N型半導體結構圖
P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區域稱為PN結。P區中的自由空穴和N區中的自由電子要向對方區域擴散，造成正負電荷在PN結兩側的積累，形成電偶極層(圖4)。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區和N區之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P區中的空穴向N區擴散后與N區中的電子復合，而N區中的電子向P區擴散后與P區中的空穴復合，這使電偶極層中自由載流子數減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。PN結具有單向導電性，半導體整流管就是利用PN結的這一特性制成的。PN結的另一重要性質是受到光照后能產生電動勢，稱光生伏打效應，可利用來制造光電池。半導體三極管、可控硅、PN結光敏器件和發光二極管等半導體器件均利用了PN結的特性。PN結的單向導電性P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上，呈現很小的電阻，稱之為導通狀態。P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結反偏，此時PN結處于截止狀態，如同開關打開。結電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結會發生擊穿而損壞。
半導體摻雜
半導體之所以能廣泛應用在今日的數位世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質改變其電性，這個過程稱之為摻雜（doping）。摻雜進入本質半導體（intrinsicsemiconductor）的雜質濃度與極性皆會對半導體的導電特性產生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質半導體（extrinsicsemiconductor）。
半導體摻雜物
哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來的價電子（valenceelectrons）大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。和本質半導體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子后只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-typesemiconductor），n代表帶負電荷的電子。和施主相對的，受主原子進入半導體晶格后，因為其價電子數目比半導體原子的價電子數量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導體稱為p型半導體（p-typesemiconductor），p代表帶正電荷的電洞。以一個硅的本質半導體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至硅半導體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導體成為n型半導體。一個半導體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜后的半導體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的“多數載子”（majoritycarrier）。和多數載子相對的是少數載子（minoritycarrier）。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。
半導體載子濃度
摻雜物濃度對于半導體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態下，一個未經摻雜的本質半導體，電子與電洞的濃度相等，如下列公式所示：n=p=ni其中n是半導體內的電子濃度、p則是半導體的電洞濃度，ni則是本質半導體的載子濃度。ni會隨著材料或溫度的不同而改變。對于室溫下的硅而言，ni大約是1×10cm。通常摻雜濃度越高，半導體的導電性就會變得越好，原因是能進入傳導帶的電子數量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導體會因為導電性接近金屬而被廣泛應用在今日的集成電路制程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在n或是p后面附加一上標的“+”號，例如n代表摻雜濃度非常高的n型半導體，反之例如p則代表輕摻雜的p型半導體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經高到讓半導體“退化”（degenerate）為導體，摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個有晶格結構的硅本質半導體而言，原子濃度大約是5×10cm，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10cm至10cm之間。摻雜濃度在10cm以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個“簡并半導體”（degeneratedsemiconductor）。重摻雜的半導體中，摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導體制程中，摻雜濃度都會依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。
摻雜對結構的影響
摻雜之后的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方產生新的能階。假設摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-njunction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。上述的效應可以用能帶圖（banddiagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質費米能階（intrinsicFermilevel）通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。
半導體材料的制造
為了滿足量產上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stackingfault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralskiprocess）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。
（責任編輯：00951）
