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。

半导体导电原理 半导体一般是由4 价的硅或锗为主体材料，它们的晶体结构也和金刚石一样，每个原子由4 个价和运转在空间等距、有序环绕，构成金刚石结构，很纯的单晶硅基本不导电。

N型半导体  在纯硅晶体中加了少量的磷元素后，就形成了N型半导体。5价的磷原子镶嵌在硅晶体中，本来硅晶体的每个原子通过4个结构元相互联接，价和速率相同，而磷的5个价电子参入硅中价和运转，尚有一个电子无价和轨道，它杂混在其它价和轨道中，扰乱了原均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子出现了拥挤和等待的紊乱现象，于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率)，外来电子可乘虚而入，晶体的导电能力增加，形成的N型半导体。

P型半导体 在硅晶体中加入少量的硼元素后，硼在价和结构中顶替了一个硅原子，因硼外层只有3个价电子，使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转，于是就有了电子空位，与这个结构元相连的6个结构元外端又连着18个结构元，这样电子空位呈2×3 扩展，所以该晶体的导电能力也呈几何级数增加。电子空位扩展之后空位出现的时间越来越短，也就不成其为空位了。

以上论述说明，不管是N型还是P型半导体，其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布引起价和电子紊乱运行所致，所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了半导体的"测不准"及温升，热敏等诸多物理性质。

晶体管的PN结的实质是疏通或堵塞电子空位。

二极管 把N 型和P 型半导体材料紧密结合起来，两端连上导线，就形成了半导体二极管。二极管最关键的部位在两种材料的结合处，人们称之为P N 结。

由于N 型半导体是5 价的磷镶嵌在以4 价为主体硅晶体中，有多出的电子。而在P 型半导体中是3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中，顶替了一个硅原子的位置，在整体上有缺少电子的趋势。把这两种晶体紧密结合：N 型半导体中多出的电子向缺少电子的P 型半导体中扩散。这样，在结合部附近，各结构元的价和电子数正好达到平衡，（图9-1）每个原子周围的价和电子平稳运转，没有了电子的紊乱和等待，也就没有了电子空位。这就是在不导电时的P N 结。

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