什么是杂质半导体？

     杂质半导体顾名思义就是含有杂质的半导体。半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体。杂质半导体一般可分为N型半导体和P型半导体。半导体中掺人微量杂质时，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，在禁带中产生附加的杂质能级。 能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。例如，四价元素锗或硅晶体中掺人五价元素磷、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)原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级——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，很容易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺人施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属于电子导电型。半导体中多数载流子为电子的半导体称为N型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子-空穴对，所以在N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 相应的能提供空穴载流子的杂质称为受主杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如，在锗或硅晶体中掺人微量三价元素硼、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受主能级。 由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子-空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型。 半导体多数载流子为空穴的半导体称为P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料 用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用 。

特性和参数 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。

半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。

在本征半导体中掺入微量杂质形成杂质半导体后,其导电性能将发生显着变化。按掺入杂质的不同,杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。

N型半导体

如果在本征半导体硅(或锗)中掺入微量5价杂质元素,如磷、锑、砷等,由于杂质原子的最外层有5个价电子,当其中的4个与硅原子形成共价键时,就会有多余的1个价电子。这个电子只受自身原子核的吸引,不受共价键的束缚,室温下就能变成自由电子,如图2.2(a)所示。磷(或锑、砷)原子失去一个电子后,成为不能移动的正离子。掺入的杂质元素越多,自由电子的浓度就越高,数量就越多。并且在这种杂质半导体中,电子浓度远远大于空穴浓度。因此,电子称为多数载流子(简称多子),空穴称为少数载流子(简称少子)。在外电场的作用下,这种杂质半导体的电流主要是电子电流。由于电子带负电荷,因此这种以电子导电为主的半导体称为N型半导体。

P型半导体

如果在本征半导体硅(或锗)中掺入微量3价元素,如硼、镓、铟等,由于杂质原子的最外层有3个价电子,当它和周围的硅原子形成共价键时,将缺少1个价电子而出现1个空穴,附近的共价键中的电子很容易来填补。如图2.2(b)所示。硼(或镓、铟)原子获得1个价电子后,成为不能移动的负离子,同时产生1个空穴。所以,掺入了3价元素的杂质半导体,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。在外电场的作用下,其电流主要是空穴电流。这种以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。

综上所述,在本征半导体中掺入5价元素可以得到N型半导体,掺入3价元素可以得到P型半导体。在N型半导体中,由于自由电子数目大大增加,增加了与空穴复合的机会,因此空穴数目便减少了同样,在P型半导体中,空穴数目大大增加,自由电子数目较掺杂前减少了。由此可知,多数载流子的浓度取决于掺杂浓度而少数载流子的浓度受温度影响很大。

本征半导体中电子和空穴的浓度相等,而掺杂半导体中电子和空穴的浓度差异相当大。在动态平衡条件下,N型半导体和P型半导体中少数载流子的浓度满足下列关系:

pi·ni=pp·np=pn·nn

式中,pi,ni,pp,np,pn,nn分别为本征半导体,P型半导体和N型半导体中的空穴浓度和电子浓度。

应当注意的是,掺杂后对于P型半导体和N型半导体而言,尽管都有一种载流子是多数载流子,一种载流子是少数载流子,但整个半导体中由于正负电荷数是相等的,它们的作用相互抵消,因此保持电中性。

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