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1、精品资料P型和N型半导体.P型和N型半导体P型和N型半导体 如果杂质是周期表中第族中的一种元素受主杂质，例如硼或铟，它们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第族元素的传导电子能级。因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传导带。在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而这种材料被称为“P”型半导体。在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”。如图1所示。N型半导体如果掺入的杂质是周期表第V族中的某种元素施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电子带都有五个电子，
2、然而，杂质元素价电子的最大能级大于锗（或硅）的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第族元素的传导带。这些材料就变成了半导体。因为传导性是由于有多余的负离子引起的，所以称为“N”型。也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而（在N型材料中）电子被称为“多数载流子”。如图2所示。 P型和N型半导体的应用由P型半导体或N型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器等电阻体。由P型与N型半导体结合而构成的单结半导体元件，最常见的是二极管；此外，FET也是单结元件。PNP或NPN以及形成双结的半导体就是晶体管。 （1）用于LED LED在20世纪60年代诞生
3、后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。 LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PN Junction Transistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。
4、LED正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。 小知识:P型半导体和N型半导体 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。在P型半导体中，空穴(带正电)叫多数载流子;电子(带负电)叫少数载流子。 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N型半导体。在N型半导体中，电子(带负电)叫多数载流子;空穴(带正电)叫少数载流子。 （2）在半导体热电偶中的应用 热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。实用
5、的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的。 半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N 型材料有多余的电子，有负温差电势。P 型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P 型穿过结点至N 型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。 直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。 这样，半导体组件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P 型半导体组件和一个N 型半导体组件
6、联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。 在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。 按图中把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。按图示接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助铝散热器等各种散热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。图3是热电偶的工作原理示意图。半导体：介于和之间并有负的的物质。半导体 半导体室温时电阻率约
7、在10-5107欧米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括- 族化合物（、等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有的玻璃半导体、有机半导体等。 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（图 1 ）。导带中
8、的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观，分别称为和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。 半导体半导体中杂质 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半
9、导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚，在禁带中产加的杂质能级。例如四价锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质，杂质原子作为晶格的一分子，其五个中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位
10、，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体
11、中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 N型半导体结构图PN结 P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而
12、形成层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。 PN结具有，半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。半导体三极管、PN结光敏和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。 多样性物质存在的形式多种多样，、等等。我们通常把和导热性差或不好的材料，如、等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在
13、才真正被学术界认可。 分类半导体的分类，按照其制造技术可以分为：器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的，可以分成模拟、模拟数字混成及功能进行分类的方法。 半导体定义电阻率介于金属和绝缘体1之间并有负的电阻温度系数的物质。 半导体室温时电阻率约在10E-510E7欧姆米之间，温度升高时电阻率指数则减小。 半导体材料很多，按化学成分可分为和化合物半导体两大类。 锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包
14、括- 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物( 、硫化锌等)、(、的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的、有机半导体等。 半导体：意指半导体，因收音机中的由半导体材料制成而得名。 本征半导体 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的是满带(见)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电
15、子导电和。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。 历程封装历史始于30多年前。当时采用金属和陶瓷两大类封壳，它们曾是电子工业界的“辕马”，凭其结实、可靠、散热好、大、能承受严酷环境条件等优点，广泛满足从消费类到空间电子产品
16、的需求。但它们有诸多制约因素，即重量、成本、封装密度及数。最早的金属壳是TO型，俗称“礼帽型”；陶瓷壳则是扁平长方形。 大约在20世纪60年代中期，仙童公司开发出塑料双列直插式封装（PDIP），有8条引线。随着硅技术的发展，尺寸愈来愈大，相应地封壳也要变大。到60年代末，四边有引线较大的封装出现了。那时人们还不太注意压缩器件的外形尺寸，故而大一点的封壳也可以接受。但大封壳占用面积多，于是开发出引线陶瓷（LCCC）。1976年1977年间，它的变体即塑料有引线载体（）面世，且生存了约10年，其引脚数有16个132个。 20世纪80年代中期开发出的四方型扁平封装（QFP）接替了PLCC。当时有凸缘
17、QFP（BQFP）和公制MQFP（MQFP）两种。但很快MQFP以其明显的优点取代了BQFP。其后相继出现了多种改进型，如薄型QFP（TQFP）、细QFP（VQFP）、缩小型QFP（SQFP）、塑料QFP（PQFP）、金属QFP(MetalQFP)、载带（TapeQFP）等。这些QFP均适合表面贴装。但这种结构仍占用太多的PCB面积，不适应进一步小型化的要求。因此，人们开始注意缩小芯片尺寸，相应的封装也要尽量小。实际上，1968年1969年，就开发出（SOP）。以后逐渐派生出J型引脚小外型封装（SOJ）、薄小外形封装（TSOP）、甚小外形封装（VSOP）、缩小型SOP（SSOP）、薄的缩小型S
18、OP（TSSOP）及（SOT）、小外型集成（SOIC）等。这样，IC的塑封壳有两大类：方型扁平型和小型外壳型。前者适用于多引脚电路，后者适用于少引脚电路。 随着半导体工业的飞速发展，芯片的功能愈来愈强，需要的外引脚数也不断增加，再停留在周边引线的老模式上，即使把引线间距再缩小，其局限性也日渐突出，于是有了面阵列的新概念，诞生了阵列式封装。 阵列式封装最早是针栅阵列（PGA），引脚为针式。将引脚形状变通为球形凸点，即有(BGA）；球改为柱式就是柱栅阵列(CGA）。后来更有载带BGA(TBGA）、金属封装BGA(MBGA）、陶瓷BGA(CBGA）、倒装焊BGA(FCBGA）、塑料BGA(PBGA）
19、、增强型塑封BGA(EPBGA）、芯片尺寸BGA(D2BGA）、小型BGA(MiniBGA）、微小型BGA(MicroBGA）及可控塌陷BGA(C2BGA)等。BGA成为当今最活跃的封装形式。 历史上，人们也曾试图不给IC任何封装。最早的有IBM公司在20世纪60年代开发的C4（可控塌陷芯片连接）技术。以后有板上芯片(COB）、柔性板上芯片(COF）及芯片上引线(LOC）等。但裸芯片面临一个确认优质芯片（KGD）的问题。因此，提出了既给IC加上封装又不增加多少“面积”的设想，1992年富士通首先提出了(CSP)概念。很快引起国际上的关注，它必将成为IC封装的一个重要热点。 另一种封装形式是贝尔
20、实验室大约在1962年提出，由IBM付诸实现的带式载体封装（TCP）。它是以柔性带取代刚性板作载体的一种封装。因其价格昂贵、加工费时，未被广泛使用。 上述种类繁多的封装，其实都源自20世纪60年代就诞生的封装设想。推动其发展的因素一直是、重量、引脚数、尺寸、密度、电特性、可靠性、热，价格等。 尽管已有这么多封装可供选择，但新的封装还会不断出现。另一方面，有不少封装及工程师正在努力以去掉封装。当然，这绝非易事，封装将至少还得陪伴我们20年，直到真正实现芯片只在一个互连层上集成。 可以这样粗略地归纳封装的发展进程：结构方面TODIPLCCQFPBGACSP；材料方面是金属陶瓷塑料；引脚形状是长引线
21、直插短引线或无引线贴装球状凸点；装配方式是通孔封装表面安装直接安装。 特点半导体五大特性电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，特性。 在形成的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 ：晶体中的原子在空间形成排列整齐的，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为。 ：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置
22、称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 ：运载电荷的称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 ：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 ：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 ：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴
23、对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。 载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。 结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成温度稳定性差的原因。 ：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
24、 ：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。 少数载流子：N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。 施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。 N型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 ：P型半导体中，多子为空穴。 ：P型半导体中，少子为电子。 原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。 P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。 结论： 多子的浓度决定于杂质
25、浓度。 少子的浓度决定于温度。 PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块上，在它们的交界面就形成PN结。 PN结的特点：具有单向导电性。 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。 ：扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。 电场形成：区形成内电场。 空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。 漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。 PN结的形成过程：如图所示，将P型半导体
26、与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。 PN结的形成过程：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为零。 耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑区的电荷，称耗尽层。 PN结的单向导电性 伏安特性曲线：加在PN结两端的和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图所示： PN伏安特性正向特性：u0的部分称为正向特性。 反向特性：u0的部分称为反向特性。 ：当反向电压超过一定数值U（BR）后，急剧增加，称之反向击穿。 ：
27、耗尽层宽窄变化所等效的称为势垒电容Cb。 ：当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，而制成各种变容二极管。如下图所示。 PN结的势垒电容平衡少子：PN结处于时的少子称为平衡少子。 非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。 ：扩散区内电荷的积累和释放过程与充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd。 结电容：势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj。 半导体杂质半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅中掺入五价元素磷
28、、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上
29、填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子（图3）。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体和就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的
30、各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 PN结P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。 PN结具
31、有单向导电性，半导体就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称，可利用来制造光电池。、可控硅、PN结光敏器件和等半导体器件均利用了PN结的特性。 PN结的单向导电性 P端接的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时PN结如同一个合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。 P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定，PN结会发生击穿而损坏。 半导体掺杂半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂（doping）。掺杂进入本质
32、半导体（intrinsic semiconductor）的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体（extrinsic semiconductor）。 半导体掺杂物哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物（dopant）需视两者的原子特性而定。一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施体（donor）与受体（acceptor）。施体原子带来的价电子（valence electrons）大多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施体原子微弱地束缚住，这个电子又称为施体电子。和本质半导体的价电
33、子比起来，施体电子跃迁至所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施体电子获得能量会跃迁至传导带，但并不会和本质半导体一样留下一个电洞，施体原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体（n-type semiconductor），n代表带的电子。 和施体相对的，受体原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受体掺杂后的半导体称为p型半导体（p-type semiconductor），p代表带正电荷的电洞。 以一个硅的本质半导体来说明掺
34、杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼（boron）掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受体的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷（phosphorus）掺杂至硅半导体时，磷扮演施体的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。 一个半导体材料有可能先后掺杂施体与受体，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受体带来的电洞浓度较高或是施体带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”（majority carrier）。和多数载子相对的是少数载子（minority carrier）。对于半导体
35、的操作原理分析而言，少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。 半导体载子浓度掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载子浓度。在的状态下，一个未经掺杂的本质半导体，电子与电洞的浓度相等，如下列公式所示： n = p = ni 其中n是半导体内的电子浓度、p则是半导体的电洞浓度，ni则是本质半导体的载子浓度。ni会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，ni大约是110 cm。 通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在n
36、或是p后面附加一上标的“+”号，例如n 代表掺杂浓度非常高的n型半导体，反之例如p 则代表轻掺杂的p型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体“退化”（degenerate）为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本质半导体而言，原子浓度大约是510 cm，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在10 cm至10 cm之间。掺杂浓度在10 cm以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个“简并半导体”（degenerated semiconductor）。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。
37、在半导体制程中，掺杂浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。 掺杂对半导体结构的影响掺杂之后的半导体会有所改变。依照掺杂物的不同，本质半导体的能隙之间会出现不同的能阶。施体会在靠近传导带的地方产生一个新的能阶，而受体原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子，远小于硅本身的能隙1.12电子伏特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化（ionize）。 掺杂物对于的另一个重大影响是改变了能阶的位置。在热平衡的状态下费米能阶依然会保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n接面（p-n
38、 junction）的能带会弯折，起因是原本p型半导体和n型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n接面后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成无论是p型或是n型半导体的传导带或价带都会被弯曲以配合接面处的能带差异。 上述的效应可以用能带图（band diagram）来解释，。在能带图里横轴代表位置，纵轴则是能量。图中也有费米能阶，半导体的本质费米能阶（intrinsic Fermi level）通常以Ei来表示。在解释半导体元件的行为时，能带图是非常有用的。 半导体材料的制造为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求
39、。常见的问题包括晶格的错位（dislocation）、双晶面（twins），或是堆栈错误（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。 目前用来成长高纯度半导体材料最常见的方法称为裘可制程（Czochralski process）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。 半导体历史半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， 1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属
40、，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 不久， 1839年的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的，这是被发现的半导体的第二个特征。 在1874年，的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的，这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四
41、个效应，(jianxia的余绩四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由完成。 很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。如果感兴趣可以读一下Robert W.Cahn的The coming of Materials Science中关于半导体的一些说明。 半导体于室温时约在101010000/cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化
42、合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。 半导体应用最早的实用“半导体”是（）/ 二极体（）。 一、在 无?电收音机（）及 电视机（Television）中，作为“讯号放大器 /”用。 二、近来发展（Solar Power），也用在（Solar Cell）中。 三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1，甚至达到0.01也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100+300，是性价比极高的一种测温元件。 半导体行业的发展世界巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发
43、展，这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。可以说，市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。 各国半导体命名方法中国半导体器件型号命名方法半导体器件由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。五个部分意义如下： 第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极管、3-三极管 第二部分：用表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型、D-P型硅材料。表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。 第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的
44、内型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F3MHz,Pc3MHz,Pc1W)、D-低频大功率管（f1W)、A-高频大功率管（f3MHz,Pc1W)、T-半导体（可控整流器）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。 第四部分：用数字表示序号 第五部分：用汉语拼音字母表示规格号 例如：3DG18表示NPN型硅材料高频三极管 日本半导体分立器件型号命名方法日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。通常
45、只用到前五个部分，其各部分的符号意义如下： 第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。0-光电（即光敏）二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、依此类推。 第二部分：日本JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。 第三部分：用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N 沟道场效应管、M-双向可控硅。 第四部分：用数字表
46、示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从“11”开始，表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号；不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号；数字越大，越是近期产品。 第五部分： 用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器件是原型号产品的改进产品。 美国半导体分立器件型号命名方法晶体管或其他半导体器件的命名法较混乱。美国电子工业协会半导体分立器件命名方法如下： 第一部分：用符号表示器件用途的类型。JAN-军级、JANTX-特军级、JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、（无）-非军用品。 第二部分：用数字表示pn结数目。1-二极管、2=三极管、3
47、-三个pn结器件、n-n个pn结器件。 第三部分：美国电子工业协会（EIA）注册标志。N-该器件已在美国电子工业协会（EIA）注册登记。 第四部分：美国电子工业协会登记顺序号。多位数字-该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。 第五部分：用字母表示器件分档。A、B、C、D、-同一型号器件的不同档别。如：JAN2N3251A表示PNP硅高频小功率，JAN-军级、2-三极管、N-EIA 注册标志、3251-EIA登记顺序号、A-2N3251A档。 国际电子联合会半导体型号命名方法德国、法国、意大利、比利时等国家以及、罗马尼亚、波兰等国家，大都采用国际电子联合会半导体分立器件型号命名方法。这种命名方法由四个基本部分组成，各部分的符号及意义如下： 第一部分：用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁带宽度Eg=0.61.0eV 如锗、B-器件使用材料的Eg=1.01.3eV 如硅、C-器件使用材料的Eg1.3e