半导体物理原理的介绍 [复制链接]

第5版()
专栏：

半导体物理原理的介绍
黄昆
一
半导体的研究和利用已经发展成为一项涉及许多学科和技术部门的综合性科学技术。本文主要从物理学方面作一些介绍。
二十世纪物理学的发展，特别重要的是深入到物质内部的微观世界。在这方面，大家较熟悉的是由一般物体深入到一个分子、一个原子，以至一个原子核内部。现代物理学深入微观世界的另一个方面，是对于由大量原子构成的固体的研究。在这样一个由大量原子组成的微观世界里，电子和原子可以作各种各样的运动。近二三十年来，研究固体内部电子和原子的运动规律，研究怎样控制它们的运动，使它们能按照我们的意图来运动，都取得了重大的进展。半导体物理学可以说是这方面的一个领头的学科。
半导体物理学对发展各种新技术有着极大的影响。例如，工业生产使用着各种各样的机器，利用它们能够把自然界的能量转化来作功，能够很快地和极其精确地制作各种产品。在现代技术中则利用了具备各式各样功能的元件和仪器，如电子管能够产生电的振荡，能够放大和控制电的讯号，能够在电子计算机里作运算。没有这些机器和仪器，就没有现代工业和现代技术。但是，机器也好，仪器也好，一般都是由许多分散的部件组合而成的。半导体可以作各种各样的复杂的机器和仪器的工作，但是它不是用许多部件拼凑起来的，而是在一小块半导体内部就把全部的机器和仪器的作用都实现了。从这个意义上可以说，半导体物理学开辟了一个在原子世界里面制造机器和仪器的新天地。
二
什么是半导体？它有什么特性？怎样利用它来产生各种各样特殊的作用？下面就来谈谈这些问题。
金属和绝缘体虽然同样都是由大量原子组成的物体，而它们的导电能力却不一样。金属导电能力很好，称为导体，而绝缘体则几乎不导电。还有很多固体材料导电能力介于这两者之间，统称为半导体。最初，人们虽然发现个别半导体的特殊作用，如发现用一些矿石可以检波，但是并不懂它们为什么有这个作用。只是在进行了物理学研究以后，才慢慢懂得为什么这种导电能力既不很好又不很坏的物体，偏偏可以产生很多特殊作用的道理。
要想说明这个道理，就必须首先了解为什么导体、绝缘体、半导体的导电能力有很大差别。
试回想一下原子的构造。在原子的中心有一个很小的原子核，带正电，周围有很多电子在围绕原子核的层层轨道上运动，每一个轨道只容纳一定数目的电子。这些电子所带负电荷正好与原子核所带正电荷相等，因而使整个原子呈电中性。在平常情形，这些电子只占据原子的内层轨道，而外边轨道是空的。但是当原子受到刺激，如原子间发生碰撞或用光照射时，内层电子就因被激发而跑到外层轨道上去。当电子跳回原来轨道时，可以发出光子。也就是说，电子在外层轨道比在内层轨道能量高，只有吸收一定能量，如通过碰撞得到原子运动的能量，或受光照射时吸收光子，才能跳到外层去；而跳回来时，把多余的能量产生光子发射出来。当原子组成固体时，有两种不同的情形。在绝缘体中，内层能量低的轨道都填满了电子，因此，虽然有很多电子，但是没有转移的余地，就如同会场中所有位子都坐满人，结果大家都动不得。这就说明了绝缘体为什么不导电。导体就不同了，原子轨道没有被电子填满，这样，电子就可以相当自由地在原子间转移，因而能够导电。半导体电子的情况和绝缘体基本上相同，但是又具有一定的导电能力。这是因为尽管内层轨道填满了电子，但是外层轨道还是空的，只要给电子一定的能量就可以使它跳到外层轨道去，从而变成自由的，亦即可以参加导电的。事实上，我们知道物体中的原子不是静止的，而是不断地运动着的。例如，气体分子以相当高的速度往来运动，温度越高，运动越快，我们称它为热运动。平常加热一个物体使它的温度升高，从微观来看即增加其热运动。固体中的原子虽然都有一定位置，很整齐地排列着，但是也同样在激烈的运动着，只不过不是跑来跑去，而是在一点附近激烈振动。因为固体内原子排列很紧密，所以相邻原子在振动中不断发生频繁的碰撞，使得有些电子跳到外层轨道上去。这样，半导体内总有一小部分电子处在外层空轨道上，可以自由运动。这种被碰撞激发的电子的多少，决定于激发一个电子到空轨道需要能量的大小；或者说电子跳到外层轨道的难易程度，是随材料不同而不同的。和绝缘体相比，半导体内层电子束缚不是那么紧，激发它们需要的能量小，因此在外层运动的自由电子就多得多，从而有一定的导电能力。但是和金属中自由运动的电子相比，半导体中自由的电子还是很少的，因此半导体的导电能力一般比金属小得多。总之，在平常情况下，半导体的导电是由于原子热运动而发生碰撞，使电子激发至空轨道造成的。在平常温度下，这些电子数目的多少由半导体的结构决定，与原子总数相比总是很少的。例如，在最重要的两种半导体材料中，锗［zhě］约为十亿分之一，硅［guī］则还要少得多。
根据对于半导体的这个基本了解，就可以说明几种半导体最重要的特殊作用和它们的应用。
一、热敏性质。半导体中导电的电子本来就是靠原子热运动而产生的，温度越高，热运动越激烈，由碰撞而产生的自由电子数目就越多，导电能力就越好。金属的情形就不是这样。前边已经说明，金属中原来就有很多自由电子，因此，金属的电阻随温度变化也就不显著。我们称半导体的这个性质为热敏性。
半导体的这个性质是很有用的，因为现代物理学中电学测量是很精密的，利用半导体的电阻随温度显著变化这一性质可以作成极为灵敏的半导体温度计。半导体温度计有很多优点，如灵敏度高，体积小，而且电引线可以很长，可以在很远距离以外进行测量。
二、光敏性质。半导体的电阻也可以受光照射的影响。即使照射光不很强，电阻与无光照射时相比也可以有上万倍的变化。也就是说，半导体的电阻对光照射的变化是很灵敏的。
这个基本特性的道理是很容易理解的，因为光照射是激发原子的最基本办法之一，原子吸收光子而使电子跳到外层轨道，变成自由电子而参与导电过程。
半导体的这个基本性质有很多用途。利用这个特性作出的半导体的仪器叫光敏电阻。我们可以用它测量光的强弱。光敏电阻不但很灵敏，而且可以对不同波长的光起作用，有的对很短的波如X光灵敏，有的对长波红外光灵敏。换句话说，光敏电阻可以测量的光的波长范围是很广的。
光敏电阻像热敏电阻一样，也是自动控制中的重要元件。特别值得重视的是红外光敏电阻，它是远距离探测中的重要元件，在国防上有着重要的价值。
三、温差发电。目前大量的发电设备是靠烧煤，将热能转化为机械能，再将机械能转化为电能；或者利用水力发电。这些办法都需要很庞大的机器设备。半导体是个天然的发电机。加热一块半导体的一端，使它一头热，一头冷，由于热端自由电子多运动快，冷端自由电子少运动慢，所以电子就会由热端流向冷端。在这两端之间接上导线，就会有电流流过，同时半导体在热端吸收热能。一块半导体就这样直接地把热能转化为电能。目前已有小型的半导体温差发电器，可供收音机使用。不断改进半导体材料的性质，降低成本，半导体发电机将有更广泛的用途。
总结上述的几个特殊现象，可以看出，它们都有一个共同的特点，即外界影响可以使半导体的电学性质有很大变化。这是使半导体有广泛应用的基本特点。其原因是，和金属相比，半导体中原来的自由电子数量不多，但是和绝缘体相比，不能导电的电子束缚得较弱，比较容易转变为自由的电子。因此，外界影响很容易使它的导电电子数量有成千上万倍的变化。事实上，不仅外界影响可以使半导体发生剧烈的变化，而且半导体内部很微小的改变也可以使它的性质有根本的变化。所谓内部改变，最通常的是加进一些其他化学元素，即平常所说的加进一些杂质。这个事实十分重要，因为它使我们能够改造半导体，让半导体具有我们所需要的性质。这是我们在半导体的原子世界里，实现具备奇特作用的机器的重要手段。
三
为什么杂质能够影响半导体的性质呢？就一些简单情况讲，这是因为我们放进的另一种元素的外层电子数目与原来半导体不同。如果原来轨道正好被电子填满，加进的杂质原子有多余的电子，这些多余的电子可以参加导电。利用掺进杂质的办法，我们可以在很大范围内改变半导体的性质。例如，在有的用途中锗只含极少量的杂质，比如一亿分之一，而在另一些用途中它可能掺入达百分之一的杂质，那么同是锗，而其导电能力就有上百万倍的差别。就像为制造各种各样的机器提供各种各样的钢材一样，利用掺杂质可以使我们制造出具有各种不同性质的半导体材料。
杂质不但可以使半导体中的自由电子数量在很大范围内变化，而且十分重要的是，还可以使半导体的导电有完全不同的性质。如果加进锗中的杂质原子最外层电子不是比锗多，而是比锗少，就像铝，它最外层只有三个电子，那么就会使轨道不能填满，每加进一个铝原子，就多出一个空轨道来。本来电子挤满，无活动余地，不能导电，但是有了空轨道，电子就可以转移，也就是说可以导电了。例如，会场中有了一些空的座位，那么大家就可以活动，靠近空座位的人就可以移到空座位上去，结果他原来的座位就空了出来。由于空轨道而发生的导电，也可以看作是空轨道移动的结果。空轨道是少一个电子的地方，所以是带正电的地方。因此，这种导电就和一个正电荷运动而导电一样，正好与电子导电相反。我们称这些由空轨道代表的正电荷为空穴。电子导电的半导体称为N型的，意思是说它是负电荷导电；空穴导电的半导体称为P型的，即是说它是正电荷导电。
这样，人们就可以用掺杂质的办法，使一块半导体内部有的地方是电子导电，有的地方是空穴导电，从而使半导体内部的电子作复杂的运动。这正是当前利用半导体的一项最重要的方法。
四
利用杂质在一块半导体内造成一个区域是P型，一个区域是N型，它们交界的地方称为P—N结，可以产生一系列的重要现象。
一、整流作用和二极管。大家都很熟悉广泛应用的真空二极管。它的特点是只能由灯丝发射电子，因此，电流只能是电子由灯丝到阳极，而反过来就不能有电流。这种只允许电流沿一个方向通过的作用就叫作整流作用。在一片半导体里，假若上层为P型，下层为N型，形成一个简单的P—N结结构，那么它直接就可以有整流作用，所允许的电流只能是空穴由上而下，电子由下而上。这种半导体二极管比起真空电子管来有很多优点，如构造简单，体积小得更无法比拟。一个半导体二极管只需要一毫米见方、十分之几毫米厚薄的一片半导体材料就够了。因为它极小，所以动作特别快。发展雷达无线电用到微波时，电子管就不能应用，半导体二极管解决了微波中的检波问题。
二、光电池。光电池也是一个简单的P—N结。由于P区和N区的电性完全不同，所以就在它们的交界处形成了一个有极强电场的区域。它的大小与掺杂质情况有关，常可达到每厘米几万到几十万伏特。当有光照射在P—N结附近时，电子就会由填满的轨道激发到空轨道，从而产生一个电子和一个空穴。在电场的作用下，由于电子和空穴带电相反，受力也相反，电子跑到N区，空穴跑入P区。在光不断照射时，就有大量的电子和空穴产生。它们分别被拉到N区和P区的结果，使P区带了正电，而使N区带负电。因此，它与化学电池的作用完全相似，使一极为正电，一极为负电，接到电路中去就可以产生电流，这样就成了一个直接把光能转变为电能的机器。
半导体光电池如果利用日光能，可得到用之不竭的没有代价的电源。而且它的体积很小，所以可以解决宇宙航行和人造卫星中的电源问题。苏联的人造卫星中，就曾使用了硅日光电池。目前半导体光电池直接利用日光能的效率已达10％以上，这样在充分的日光照射下，每平方米就可以产生一百瓦的电力（目前由于制造成本高，主要只用于一些特殊目的）。
三、半导体三极管，即晶体管。到现在为止，半导体中用得最广、意义最大的是三极管。它的内部就是一小片半导体，由于掺进杂质，包含P—N—P三层。它与真空三极管有着同样的作用。半导体三极管的特点是，整个过程均在半导体内部实现。因此，它具备很多优点，如体积很小，消耗电能很少，可以用于很高的频率范围。由于它的体积小，再加上耗电少，工作电压低，不需要大的电源，所以用半导体三极管装置的成套仪器的重量要比电子管轻得多，小得多。
这些优点是有很重大意义的。在无线电电子学高度发展和广泛应用的时代，无线电技术越来越能够进行更为复杂和精密的操作，这就需要复杂的无线电电子学的装备，需要用成千上万的电子管。因此，它们的体积大小、分量轻重，就成为一个有重大技术意义的问题。
五
对半导体的深入研究，还在不断发现各种新现象，这些都可能成为发展新的应用，制造新仪器的出发点。
例如，前两年发现，如果在一个P—N结交界处的P型区和N型区，掺进的杂质都很多，那么在交界处的电场就会很强，可以达到每厘米几十万伏。这么强的电场作用，就可以使在填满轨道中的电子被拉出来成为自由的。发现了这个现象，并且经过了理论分析，掌握了它的道理以后，就作出了一种完全新型的二极管。它有着很特殊的性能，现在已经成为发展电子计算机的重要元件。在最近几年，发现在半导体里面整齐排列的原子中间，经常发生在一条线上原子排列不规则，叫作位错。它对半导体的性能可以有很特殊的作用。例如，在一块N型半导体中，在位错附近会形成一条天然的P型区域。前面说过，在半导体内部加进杂质，形成N型和P型区域，可以产生各种特殊电子运动。设想如能同样利用这种天然P型区，那么在这原子世界中实现各种特殊仪器的工作就又会出现一条崭新的途径。最近还发现，把半导体放在极强的磁场中间，那么电子或空穴的运动就会发生根本的变化。它们作着很复杂的转圈的运动，迅速的转动可以达到最高无线电波的频率，以至达到红外光的频率。这样，就使半导体的性质发生很奇特的变化，发生很多特殊的作用。研究这些新的现象使我们对电子在半导体中的运动规律有了更为深刻的了解，而且这些新的现象完全有可能提出新的重要的应用来。
很值得注意的是，半导体研究的发展愈来愈密切地依赖于各种现代物理实验技术的应用。在现代低温技术提供的极低温下进行研究，使得许多重要问题得到解决。由于微波技术的利用，发展了深入研究电子、空穴运动和杂质状态的新方法。半导体的红外光谱研究近年来有了很大发展，成为系统研究半导体电子结构最重要的方法，使人们不得不联想到在阐明原子结构中原子光谱学的重大发展。
本文主要从物理学方面作了一些介绍，但是半导体物理在很大程度上是作为半导体科学技术的一个组成部分而发展的。例如，十年来半导体物理学所研究的诸如电子、空穴运动、杂质状态和作用，有关P—N结的各种问题等主要的课题，都是晶体管技术发展所直接和间接提出来的。同时正是由于晶体管技术的发展，成功地制造了超高纯度的半导体单晶体，才使得许多重要的研究成为可能并取得丰富的成果。