半导体硅材料的电阻率
时间：2025-01-28 发布人：admin 点击数：0
在材料领域，从导电性能的角度出发，材料可分为导体、半导体和绝缘体。硅，便是典型的半导体材料。那么，如何准确判断一种材料究竟属于上述哪一类呢？一般而言，可借助电阻率这一关键指标来进行衡量与区分。通常情况下，导体的电阻率远低于绝缘体和半导体。相关数据表明，导体的电阻率约为<svg viewbox="0 -883.9 5159.7 905.9" role="img" height="2.05ex" width="11.673ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.05ex;"></svg>，半导体的电阻率范围在<svg viewbox="0 -883.9 7242.7 1083.9" role="img" height="2.452ex" width="16.386ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.452ex;">～</svg>之间，绝缘体的电阻率则处于<svg viewbox="0 -883.9 7046.1 1083.9" role="img" height="2.452ex" width="15.941ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.452ex;">～</svg>之间（室温下本征硅的电阻率为<svg viewbox="0 -883.9 5534 905.9" role="img" height="2.05ex" width="12.52ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.05ex;"></svg> ）。半导体又细分为纯净半导体和杂质半导体。纯净半导体，也就是本征半导体，它不含除自身导体材料之外的任何杂质，其电阻率由材料自身的本质特性决定。杂质半导体则是通过人为掺入某些杂质，在合理控制杂质数量的前提下，能够人为地调控半导体的导电类型与导电能力。因此，在实际应用，比如集成电路制造过程中，通常使用的是杂质半导体。
不过，并非所有杂质掺入半导体后都能实现良好控制，一般来说，较为常用的是 IIIA 族和 ⅤA 族中的元素。在上一篇关于硅晶体的文章中提到，硅晶体的空间利用率较低，这使得相较于其他晶体，硅晶体掺入杂质原子的可操作性更强。掺入的杂质原子通常会替代硅原子，占据其晶格位置。在特定温度下（温度可人为调控，进而实现对导电性能的操控），杂质原子会释放电子，从而达到控制和改变晶体导电能力与导电类型的目的。
接下来，我们详细介绍一下纯净半导体和杂质半导体。从第二张电阻率与杂质浓度的关系图中可以看到，半导体分为<svg viewbox="0 -442 600 453" role="img" height="1.025ex" width="1.357ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.025ex;"></svg>型和<svg viewbox="0 -442 503 636" role="img" height="1.439ex" width="1.138ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.439ex;"></svg>型。这二者有何区别呢？<svg viewbox="0 -442 600 453" role="img" height="1.025ex" width="1.357ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.025ex;"></svg>型半导体以电子导电为主，掺入的是 VA 族元素，该元素最外层有五个电子。当与硅形成四个共价键后，会剩余一个电子在磷原子周围，这个电子被称为施主电子。由于激发施主电子比激发共价键中的电子更容易，所以<svg viewbox="0 -442 600 453" role="img" height="1.025ex" width="1.357ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.025ex;"></svg>型半导体的电子由杂原子提供。
而<svg viewbox="0 -442 503 636" role="img" height="1.439ex" width="1.138ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.439ex;"></svg>型半导体以空穴导电为主。需要注意的是，空穴本身并不导电，其导电主要依靠电子，只不过这些电子并非来自导带，而是来自价带。<svg viewbox="0 -442 503 636" role="img" height="1.439ex" width="1.138ex" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="vertical-align: -0.439ex;"></svg>型材料中有大量低能量的空穴，空穴周边存在较多价带电子。这些电子只需获得少量能量，就可能跳到周边空穴中，而无需跃迁到导带。当施加外电场时，电子不断移动，给人一种空穴在移动的错觉，实际上空穴是固定不动的，本质上是价带中的电子导电。例如，当掺入硼（B）时，由于硼最外层只有三个电子，与硅原子形成四个共价键时还差一个电子，即二者之间存在一个空键。这个空键容易吸引附近（非最邻近）硅原子的电子来形成电子对，从而在原来位置形成一个空穴。
此外，上述内容还涉及一个重要概念 —— 施主中心，与之相关的还有施主能级、施主杂质、施主电离能等。施主能级用于表征其状态的局域性质，施主电离能则是导带底与施主能级的能量差值。
