n型掺杂、p型掺杂及电离的作用

以硅为例，分析掺入磷元素（P）的效果。磷的原子尺寸合适，加入硅中后能够取代硅原子而进入其金刚石结构点阵；由于磷原子外层有5个价电子，比硅多一个，因此在这个结构中每进来一个磷原子就会有一个电子多余出来；这个多余出来的电子很容易成为自由电子，实际情况是在常温下几乎100%地成为自由电子。这种掺杂的结果是硅中自由电子浓度得以提高，增加的电子个数等于掺入的磷原子个数。这种掺杂被称为n型掺杂，所得半导体称n型半导体，因其引入的载流子带负电荷（negative charge）而得名；这类掺杂元素因提供电子而被称为施主。

读者可能已经能够设想，对硅而言，应该对应会有引入空穴（带正电荷，positive charge）的p型掺杂，形成p型半导体，这类掺杂元素也需能够取代硅原子进入硅金刚石结构点阵，其原子外层价电子则比硅少一个，每进来一个这样的原子取代硅晶体结构中的一个硅原子，就会使一个共价键缺一个电子，在硅的价带上形成一个空穴。这个设想完全正确！这样的元素有硼（B）、铝（Al）和镓（Ga），一般用硼。这类掺杂元素被称为受主，因为进入硅晶体结构以后，它引入的空穴很快就会被随机热运动的某个相邻价电子填入，亦即它成了接受电子的主了。

上述掺杂效应可以从能量空间上给予更精确的描述。图3．3为磷和硼杂质引入的电子能级在硅晶体价电子能带结构中的位置。可以看到，磷引入的电子能级低于但十分接近硅晶体导带底，这意味着其中的电子很容易跃迁至硅的导带而成为自由电子，由于所需能量很小，这种跃迁的几率在室温提供的热振动条件下就能达到几乎100%，因此我们在分析时往往忽略它，但如果温度很低，或者杂质的能级并不很靠近晶体的导带底，上述跃迁几率就未必接近100%，必须另行分析；硼引入的电子能级高于、但十分接近硅晶体的价带顶，这意味着价带中的电子很容易跃迁至这个能级，而在价带中留下空穴，由于所需能量很小，这种跃迁的几率在室温提供的热振动条件下就能达到几乎100%，当然如果温度很低，或者杂质的能级并不很靠近晶体的价带顶，同样必须认真考虑实际的跃迁几率，亦即未必每个掺杂原子引入一个载流子。

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图3．3　磷和硼杂质引入的电子能级在硅晶体价电子能带结构中的位置示意图。

图中同时画出了两种杂质原子的电离状态和所产生的载流子

半导体中，施主原子失去电子（施主能级电子跃迁至导带）与受主原子得到电子（价带电子跃迁至受主能级，亦可看作空穴由受主能级跃迁至价带），都被称作为电离。电离发生后，相关杂质原子都成为离子而带电。施主原子成为正离子，受主原子成为负离子。以硅中掺杂P或B为例，电离后它们分别成为P＋或B－离子，仍然占据硅晶体点阵位置；相对于它们所释放的载流子而言，它们的空间位置是相对固定的。