本征半导体和掺杂半导体介绍

1.本征半导体 晶格完整且不含杂质的半导体，称为本征半导体。本征半导体具有电子导电与空穴导电的特征，硅原子之间靠共价键联结，是中等强度的键，只要受温度的影响，价电子在热激发下有可能克服原子的束缚，跳出来，使其价键破裂，产生一些自由电子，而在键破裂之处产生等量的带正电的“空位”，称之为“空穴”。附近键上的价电子能够跳进这个空穴，这样好像空穴从一个键移动到另一个键，如无外电场，这时的自由电子和空穴的运动都是无规则的，因而并不产生电流。如果有外电场，在外电场作用下，半导体中的电子和空穴都可以移动而传导电流，带正电的空穴和电流同向，电子流和电流反向，这时和电子浓度n_n等于空穴浓度p_p，这个浓度称为本征载流子浓度n_i。n_i随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减少。在室温时硅的n_i约为10¹⁰/cm³。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。硅的禁带宽长在室温下是1.119eV。如果外界给予价带里的电子1.119eV能量，电子就可能越过禁带，跳跃到导带里，晶体就会导电。

电子与空穴称为载流子。而在金属中，仅有自由电子一种载流子传导电流。

2.掺杂半导体 为了达到某些使用性能，人为地将某种杂质加到纯净半导体材料中去的过程，叫做掺杂。掺杂可通过扩散和离子注入等工艺实现。按照掺入杂质数量的大小，掺杂分为重掺杂和轻掺杂。掺杂半导体有两类，n型半导体和p型半导体。“n”表示负电的意思，常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定的，当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供带负电的电子导电。这种依靠电子导电的半导体叫做n型半导体。例如硅（Si）中掺有V族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）。

“p”表示正电的意思，当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供带正电的空穴导电。这种依靠空穴导电的半导体叫做p型半导体。例如硅（Si）中掺有V族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）。

（1）n型半导体。在硅中加入元素周期表中的Ⅴ族元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）后，就能得到n型半导体，常用的是磷（P）、锑（Sb）。硅外层有4个价电子，磷（P）、锑（Sb）外层有5个价电子。掺杂后，磷（P）、锑（Sb）代替硅原子，并贡献出4个价电子与周围的硅原子形成共价键结合，剩余的1个价电子（带负电）成为自由电子，在杂质离子的电场范围内运动，能级在禁带中，而靠近导带的边缘，在受到激发时，很容易跃迁到导带上去。杂质原子的数目并不多，但在常温下导带中的自由电子浓度，却比同一温度下本征半导体导带中的自由电子浓度要大若干倍，这就大大减小了该半导体电阻。在n型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度，电流主要靠电子来载运，电子是多数载流子，简称多子，空穴是少数载流子，简称少子。磷（P）、锑（Sb）贡献出1个价电子参加导电，称为“施主杂质”。

（2）p型半导体。在硅中加入元素周期表中的Ⅲ族元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In），就能得到p型半导体，常用的是硼（B）。硼（B）原子外层有3个价电子，掺杂后，硼（B）代替硅原子，并贡献出3个价电子与周围的硅原子形成共价键结合。因为少了1个价电子，产生了1个硅的悬挂键，形成一个空穴（带正电），邻近的电子过来填补，又在邻近处形成一个新的空穴，相当于空穴在运动，参与导电，称为空穴导电。p型半导体中空穴浓度较本征半导体导带中的空穴浓度增加几倍，所以大大减小了半导体的电阻。在p型半导体中，电子浓度远小于空穴浓度，电流主要靠空穴来载运。空穴是多子，电子是少子。硼（B）元素要接受1个电子才能参与导电，称为“受主杂质”

一般掺杂硅中，同时存在施主杂质和受主杂质。这时硅的导电类型由浓度较高的杂质决定。相应的多数载流子浓度由下式计算：(https://www.xing528.com)

n_n=N_D^-NA（N_D﹥N_A） （3-1）

p_p=N_A-N_D（N_D﹤N_A） （3-2）

式中 n_n———电子浓度（多子）；

N_D———施主浓度；

N_A———受主浓度；

p_p———空穴浓度（多子）。