杂质半导体的特征是什么?

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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本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。

杂质半导体：本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

半导体的导电能力取决于他们的纯度。完全纯净或本征半导体的导电能力很低，因为他们只含有很少的热运动产生的载流子。某种杂质的添加能极大的增加载流子的数目。这些掺杂质的半导体能接近金属的导电能力。轻掺杂的半导体可能在每十亿中只有一小部分。由于在硅中杂质的有限的固体溶解性，即使重掺杂的半导体每百万中也只有几百个杂质而已。由于半导体对于杂质的极度敏感性，很难制造真正的本征物质。因此实际上半导体器件几乎都是由掺杂物质制造的。

掺有磷的半导体就是一种掺杂半导体。假设硅晶体中已掺入少量的磷。磷原子进入了原本该由硅原子占有的晶体结构中的位置（见图上方）。磷，作为第5组元素，由5个价电子。磷原子共享了4个价电子给它周围的4个硅原子。4对电子对给了磷原子8个共享的电子。加上还有1个未共享的电子，一共由9个价电子。由于valence shell只能容纳8个电子，再也放不下第9个电子。这个电子就被磷原子抛了出来，自由地游荡在晶体结构中。每个添加进硅晶体结构中的磷原子能产生一个自由电子。

由于第9个电子的丢失，磷原子带正电。尽管这个原子离子化了，但它没有产生空穴。空穴是由满的valence shell中的电子的离开而产生的电子空缺。尽管磷原子带正电，但它有满的valence shell。因此离子化的磷原子带的电荷是不可移动的。

其他第5组的元素有和磷相同的效果。每个加入到晶体结构中的第5组的元素都会产生一个自由电子。因此以这种方式捐赠电子给半导体的元素被称为donors。砷，锑和磷在半导体工艺中被作为硅的donors。

在掺入大量的donors的半导体中占有优势的电子作为载流子。由于热运动产生的空穴还是有的，但他们的数量由于有大量的电子而减少。因为大量的电子增加了空穴捕获电子而复合的可能性。在N型硅中的大量的自由电子极大地增加了它的导电能力（并且极大地降低了它的电阻）。

掺入donors的半导体称作N型。重掺杂的N型硅有时也被标记为N+，轻掺杂的N型硅被标记为N－。加号和减号象征了donors的相对数目，而不是电荷。在N型硅中由于电子的数目非常大，他们被称为多数载流子。相似的，空穴在N型硅中被称为少数载流子。严格来说，本征半导体没有多数载流子也没有少数载流子，因为他们两种的数目是相等的。

掺硼的硅形成了另一种掺杂半导体。假设硅晶体结构中掺入了少量的硼原子（见图下方）。作为第3组的元素，硼有3个价电子。硼原子和它周围的4个硅原子共享价电子，但，由于它只有3个，它不能形成第4个键。结果，硼原子只有7个价电子。由此而形成的电子空缺就变成了一个空穴。这个空穴是可移动的，很快它就离开了硼原子。一旦空穴离开后，硼原子就由于在valence shell中多出来的一个电子而带负电。跟磷的情况一样，这个电荷是不可移动的，而且对导电能力没有影响。每个加入到硅中的硼原子能产生一个可移动的空穴。

其他的第3组的元素也能接受电子并产生空穴。技术困难阻止了其他第3组元素在硅的生产中的应用。但是，铟有时用来掺入锗。用作杂质的任何第3组元素都会从邻近的原子那里接受电子，所以这些元素被称为acceptors。掺有acceptors的半导体是P型的。重掺杂的P型硅有时被标记为P+，轻掺杂的P型硅被标记为P－。在P型硅中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。半导体能同时掺入acceptors和donors。量大的杂质决定了硅的型号和载流子的浓度。因此能通过加入更多的donors来把P型半导体转换为N型半导体。同样的，也能通过加入更多的acceptors来把N型半导体转换为P型半导体。故意添加对立极性的杂质来转换半导体的型号被称为counterdoping。大多数现代的半导体是用有选择性的counterdoping硅来制作的，来形成一系列的P-和N-型区域。

如果采用极端的couterdoping，整个晶体结构将由相同比例的acceptor和donor原子组成。这两种原子的数目将会完全相等。最终的晶体只有很少的载流子，并表现为一个本征半导体。这种复合半导体确实存在。最熟悉的例子就是砷化镓，它是一种镓（第3组元素）和砷（第5组元素）的化合物。这种物质被称为III-V复合半导体。他们不仅有砷化镓，还有磷化镓，锑化铟和其他许多。许多III-V化合物是direct-bandgap半导体，有些被用来生产发光二极管和半导体激光。砷化镓也被用来生产非常高速的固态器件，包括集成电路。II-VI复合半导体由第2组和第6组元素的同比列混合物组成。硫化镉就是一种典型的用来生产光敏元件的II-VI化合物。其他II-VI化合物被用作阴极射线管中的磷。最后一种半导体包括IV-IV化合物，比如碳化硅，最近被小范围用来生产蓝光LEDs。

在所有的半导体中，只有硅有大批量，低成本生产集成电路的所需的物理特性。绝大多数固态器件是用硅生产的，其他半导体则只有很小的市场份额。

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