為啥硅會用做半導(dǎo)體材料？

原子包括原子核和電子，電子繞著原子核轉(zhuǎn)。

最外層的電子，被稱為"價(jià)電子"。外層價(jià)電子是否完備決定了原子的化學(xué)性質(zhì)。

比如說：

氖， 最外層有8個電子，已經(jīng)占滿了最外層能帶，所以， 很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

鈉，最外層只有1個電子，很容易失去；氯，最外層有7個電子，則很容易接收；因此這兩種都很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

那如果8個價(jià)電子很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，1個價(jià)電子則很容易，所以就來看看如果價(jià)電子為4個呢？

而我們常用的半導(dǎo)體材料Si就是符合這個特性。

Si，元素周期表中第14號元素，共有14個電子，最里層2個，第二層8個，最外層4個。

所以硅原子有4個價(jià)電子，所以如果處理得當(dāng)?shù)脑挘枘苄纬梢环N晶體結(jié)構(gòu)，每一個硅原子周圍都被其他四個硅原子包圍。

這樣，每個原子和他周圍的四個鄰居共享一個價(jià)電子，這樣每個硅原子就都有了8個電子。

而這種由于共享價(jià)電子形成的連接，被稱為"共價(jià)鍵".

那這種材料特性又有什么意義呢？在說這個之前，先看一下另一個概念，就是“空穴”。

"空穴"，英文是holes，就是當(dāng)共價(jià)鍵中的電子由于某種原因離開共價(jià)鍵時(shí)，留下的一個空位置。而這個空位置，則隨時(shí)準(zhǔn)備接收自由電子。

當(dāng)自由電子離開共價(jià)鍵形成空穴時(shí)，"電子-空穴"對產(chǎn)生；當(dāng)自由電子進(jìn)入空穴形成共價(jià)鍵時(shí)，“電子-空穴”重新結(jié)合。

分析半導(dǎo)體器件特性時(shí)，經(jīng)常會說空穴移動形成電流，但是，其實(shí)本質(zhì)上是因?yàn)殡娮拥囊苿?，形成空穴?/p>

就像上圖所示：

假設(shè)在t1時(shí)刻，在1處形成一空穴；

但是在t2時(shí)刻，共價(jià)鍵2中的電子變成自由電子，與1結(jié)合，形成空穴；

在t3時(shí)刻，共價(jià)鍵3中的電子變成自由電子，與2結(jié)合，形成空穴。

所以從表面看，空穴從左向右移動；其實(shí)本質(zhì)上，是電子在移動。

電子不是隨隨便便就能從共價(jià)鍵中脫離出來，脫離需要一個最小能量，這個最小能量稱之為"帶隙能量"。

“帶隙能量"是材料的一個基本特性，用Eg表示。Si的Eg=1.12eV。

而在給定溫度下，自由電子的密度，可以由下面公式表示。

從上面的公式，我們可以了解到：

Eg大的則比較傾向于絕緣體，而Eg小的則比較傾向于導(dǎo)體；但是這兩種，又會因?yàn)闇囟鹊淖兓嗷マD(zhuǎn)化。

而Si在常溫下，自由電子是很少的，大多數(shù)都在共價(jià)鍵中。純硅呈現(xiàn)高阻特性，但是這種高阻特性可以通過一種手段打破。

這種手段，就叫做“摻雜”，英文稱之為dope?？梢酝ㄟ^摻雜，來改變Si的導(dǎo)電特性。

摻雜，就是用其他材料的原子來替換硅晶體中的一些原子。摻雜材料價(jià)電子的數(shù)目的不同(以4為界限)，摻雜產(chǎn)生的半導(dǎo)體類型也不同。

比如說，元素周期表中15號元素，磷。他的價(jià)電子數(shù)為5，比Si多一個，所以，當(dāng)用它來替換Si原子的時(shí)候，會多出來一個電子無處可去，形成自由電子。

這種摻雜產(chǎn)生的是N型半導(dǎo)體，電子稱為多子，空穴稱為少子。

比如說，元素周期表中5號元素，硼。他的價(jià)電子數(shù)為3，比Si少一個。所以，當(dāng)用它來替換Si原子的時(shí)候，會有一個共價(jià)鍵沒有填滿，形成空穴。

這種摻雜產(chǎn)生的是P型半導(dǎo)體，電子稱為少子，空穴稱為多子。

參考文獻(xiàn)：razavi-Fundamentals of Microelectronics