半導體 〈Semiconductor〉(三)

半導體 〈Semiconductor〉(三)
高雄市立高雄女子高級中學一年級馬立宜、張晉瑜、周炯彤、陳君庭/高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師修改/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

摻雜
能更有效的利用半導體特性，在設計電子元件上，加入雜質是很好的方式。這種在半導體中加入雜質的程序稱為摻雜(doping)。雜質或摻雜物的數量，加到一 個純質型半導體(intrinsic(pure) semiconductor)可以改變其導電性。摻雜過的半導體則時常被稱為外質型半導體(extrinsic semiconductor)。

選取適當材料的摻雜物，取決於摻雜物和被摻雜材料的原子特性。大體上，摻雜物被分類為電子受體(donors)或施體(acceptors)。一個施體原子 貢獻微弱束縛的價電子給材料，升溫就可創造出負電荷載子(電子)。而這些載子能在電場的作用下傳導。前面我們提到的施體原子引入一些能階，但是非常接近的 對傳導帶的邊緣。 室溫下，電子在這些能階下能容易地被激發至傳導帶，成為自由電子。 相反地，一個受體原子引入一些能階，但是非常接近的價帶的邊緣，室溫下，電子在價帶被激發至這些能階，生成一個電洞。半導體摻雜施體雜質的叫做N型半導 體，而那些摻雜受體雜質的即被稱為P型半導體。N和P型的名稱顯示哪一個電荷載子是材料的多數載子。相對的載子就稱做少數載子，而這些少數載子在前面載子 的產生中有提到是由於熱激發下產生，但相較於多數載子其濃度較低。

舉例來說，純質型半導體矽有四個價電子。在矽中，最普通的摻雜物是13族(通常被稱作IIIA族）和15族(通常被稱作第VA族）元素。13族的元素都包含 三個價電子，使之要摻雜矽時作為受體原子。15族的元素有五個價電子，使之作為施體原子。因此，矽晶體摻雜硼產生一個P型半導體，然而另一以摻雜磷的生成 一個N型半導體。

載子濃度

半導體內部摻雜雜質的濃度，除了直接影響到材料的載子濃度，也影響了許多其與電有關的性質。在未掺雜的情況下，半導體內部電子和電洞的濃度是相同的。表示如下， n=p=ni

其中n表自由電子的濃度，p表自由電洞的濃度，ni則是材料未掺雜的情況下載子的濃度。ni因材料而異，它亦取決於溫度。舉例來說，矽的ni在300K(室溫)時大約是1.1ｘ1010 個/立方公分。

一般來說，增加摻雜的濃度可使導電性更佳，因增加摻雜濃度進而提高載子的濃度，有效增加其導電性。高濃度摻雜的半導體，擁有與金屬相當的導電性，因此它 常在現代積體電路中取代金屬。上標的加號(+)或減號(-)表示著與半導體中掺雜濃度相關的性質。更明白的說，n+代表摻雜濃度較高的n型半導體，同樣 的，p-則表示摻雜濃度較低的p型半導體材料。在一個矽晶體內部，每立方公分大約有5×1022個矽原子。矽半導體中摻雜的濃度可能介乎1013cm-3 至1018cm-3之間。摻雜濃度的增減，會依半導體元件設計上的需求，而加以調整。

異質介面的能帶結構

依照晶型半導體掺入雜質的類型，會在能隙中引入非常接近傳導帶與價帶的能階。也就是說，施體雜質會在接近傳導帶處產生新的能階，受體雜質會在接近價帶處產 生新的能階。能隙間接近能帶的這些能階，與能帶之間的能量差，通常被稱為束縛能或Eb¬，且相對於能隙是較小地。舉例來說，摻雜硼在矽中束縛能Eb為 0.045eV(電子伏特)，相對於矽的能隙1.12eV是較小的。因為Eb較小，所以只需些許能量，便可使雜質原子離子化且產生自由載子(電子或電洞) 散佈於價帶及傳導帶中。通常室溫下的熱能，便可充分的將摻雜原子離子化。

摻雜施體原子或受體原子，對於材料的費米能階偏向何一能帶，亦扮演重要角色，偏向的多寡依據摻雜之濃度而定。在熱平衡的情況下，費米能階的位置是保持固定 的，異質介面的堆積，會導致許多有用的電性質。例如pn接面能帶發生彎曲，是因為p型材料費米能階與n型材料費米能階，必須保持在同一位置所造成。 

此能帶圖顯示，異質介面兩邊費米能階匹配，導致傳導帶與價帶邊緣彎曲的效果。由此圖可表現出價帶、傳導帶隨位置變化的情形，其常用x代表位置。尚未摻雜時的本質費米能，Ei (如圖所示)位於能隙中間。這些圖能有效的解釋多種半導體元件的工作。

半導體材料的製造

半導體可預測、可靠的電性質，是大量生產所必須具備的條件。生產時其所要求化學純度是相當的高，因為即使只佔有極小的比例雜質掺雜，對於材料性質的影響力也 會相當的大。完美結晶對於材料是很重要的，因為結晶結構的缺陷(像錯位、雙晶面和疊層缺陷) ，都會干擾半導體材料的特性。結晶缺陷是造成半導體元件瑕疵的主要起因。結晶越大，元件越難達到完美。目前大量生產的製程，是將單晶拉成直徑介於4至12 吋(300mm)的晶柱，然後將其切成晶圓薄片。

相關文章：半導體(一)、(二)
資料來源:http://en.wikipedia.org/wiki/semiconductor