介绍下半导体的掺杂问题?

杂质半导体： 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。 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硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点：具有单向导电性。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晶体中掺入五价元素磷、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。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。 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子比起来，施体电子跃迁至传导带所需的能量较低，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代表带负电荷的电子。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）。对于半导体元件的 *** 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。

1 晶体参杂如何实现：

通常制备晶体的方法都能用来实现参杂，比如制备微晶或纳米晶常用的固相法，沉淀法，溶胶凝胶法，水热法等。晶体参杂按照参杂离子在晶格中的位置分为：取代参杂和间隙参杂。并非随意一种参杂离子都可以进入母体晶格，取代参杂时参杂离子与母体晶格中被取代离子之间需要满足（1）离子半径相近（2）价态相近才能实现参杂，间隙参杂时参杂离子的半径要比较小，能进入晶格的间隙位置才能实现参杂。问题1中提到的ZrO2中掺杂Y2O3应该是用于稳定氧化锆，抑制氧化锆的晶型转变。这里为了能使Y2O3易于进入ZrO2的晶格，降低结晶温度，通常用液相法来制备，实现原料在原子级别的均匀混合，从而缩短结晶过程中原子的扩散路径，在较低温度下得到参杂的晶体。在该参杂晶体中Y占据Zr的格位（取代参杂），由于Y与Zr的价态不同而引入氧空位。

2 为什么参杂之后形成空穴而不导致晶体结构崩塌

掺杂之后能形成空穴而不导致晶体结构崩塌是由于晶格可以通过晶体承受一定的晶格畸变。但是不同的晶体能承受的晶格畸变有一定的限度，因而参杂是有一定的限度的。取代参杂时，参杂离子与被取代离子的性质（半径，电价等）越接近，取代引起的晶格畸变越小，最大参杂量越大（如一些合金，参杂离子和母体性质很相近时，可以实现无限制固溶，即使参杂浓度达到100%,晶体结构也会保持而不崩塌）。但是间隙参杂由于参杂离子半径通常大于晶格间隙，参杂会引起较大的晶格畸变，因而最大参杂量比较小，如掺C的Fe(金属材料还是大学学的，忘得差不多了，不记得叫啥了，当参杂量到一定值时，生成Fe3C,晶格结构发生改变)。而就ZrO2中掺杂Y2O3而言，能够进入ZrO2中的Y的量是有一个最大值的，也即当原料中的Y超过ZrO2所能容纳的最大值时，多出的Y无法在进入ZrO2晶格而是仍然以Y2O3的形式存在。

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