雜質半導體

在本徵半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本徵半導體稱為雜質半導體。製備雜質半導體時一般按百萬分之一數量級的比例在本徵半導體中摻雜。也叫摻雜半導體。

基本介紹

• 中文名：雜質半導體
• 外文名：impurity semiconductor
• 別名：摻雜半導體
• 性質：科學
• 類別：物理

基本原理

半導體中的雜質對電導率的影響非常大，本徵半導體經過摻雜就形成雜質半導體，一般可分為N型半導體和P型半導體。

半導體中摻入微量雜質時，雜質原子附近的周期勢場受到干擾並形成附加的束縛狀態，在禁帶中產生附加的雜質能級。能提供電子載流子的雜質稱為施主(Donor)雜質，相應能級稱為施主能級，位於禁帶上方靠近導帶底附近。例如四價元素鍺或矽晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或矽）原子形成共價鍵，多餘的一個電子被束縛於雜質原子附近，產生類氫淺能級—施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多，很易激發到導帶成為電子載流子，因此對於摻入施主雜質的半導體，導電載流子主要是被激發到導帶中的電子，屬電子導電型，稱為N型半導體。由於半導體中總是存在本徵激發的電子空穴對，所以在n型半導體中電子是多數載流子，空穴是少數載流子。

相應地，能提供空穴載流子的雜質稱為受主(Acceptor)雜質，相應能級稱為受主能級，位於禁帶下方靠近價帶頂附近。例如在鍺或矽晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時，雜質原子與周圍四個鍺（或矽）原子形成共價結合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態就是受主能級。由於受主能級靠近價帶頂，價帶中的電子很容易激發到受主能級上填補這個空位，使受主雜質原子成為負電中心。同時價帶中由於電離出一個電子而留下一個空位，形成自由的空穴載流子，這一過程所需電離能比本徵半導體情形下產生電子空穴對要小得多。因此這時空穴是多數載流子，雜質半導體主要靠空穴導電，即空穴導電型，稱為p型半導體。在P型半導體中空穴是多數載流子，電子是少數載流子。在半導體器件的各種效應中，少數載流子常扮演重要角色。

本徵半導體

不含雜質和缺陷的純淨半導體，其內部電子和空穴濃度相等，稱為本徵半導體。本徵半導體不宜用於製作半導體器件，因其製成的器件性能很不穩定。反之，摻入一定量雜質的半導體稱為雜質半導體或非本徵半導體，這是實際用於製作半導體器件及積體電路的材料。

分類

本徵半導體的導電能力很弱，熱穩定性也很差，因此，不宜直接用它製造半導體器件。半導體器件多數是用含有一定數量的某種雜質的半導體製成。根據摻入雜質性質的不同，雜質半導體分為N型半導體和P型半導體兩種。

一、N型半導體　在本徵半導體矽（或鍺）中摻入微量的5價元素，例如磷，則磷原子就取代了矽晶體中少量的矽原子，占據晶格上的某些位置。由圖可見，磷原子最外層有5個價電子，其中4個價電子分別與鄰近4個矽原子形成共價鍵結構，多餘的1個價電子在共價鍵之外，只受到磷原子對它微弱的束縛，因此在室溫下，即可獲得掙脫束縛所需要的能量而成為自由電子，游離於晶格之間。失去電子的磷原子則成為不能移動的正離子。磷原子由於可以釋放1個電子而被稱為施主原子，又稱施主雜質。

N型半導體

在本徵半導體中每摻入1個磷原子就可產生1個自由電子，而本徵激發產生的空穴的數目不變。這樣，在摻入磷的半導體中，自由電子的數目就遠遠超過了空穴數目，成為多數載流子（簡稱多子），空穴則為少數載流子（簡稱少子）。顯然，參與導電的主要是電子，故這種半導體稱為電子型半導體，簡稱N型半導體。

二、P型半導體　在本徵半導體矽（或鍺）中，若摻入微量的3價元素，如硼，這時硼原子就取代了晶體中的少量矽原子，占據晶格上的某些位置。由圖可知，硼原子的3個價電子分別與其鄰近的3個矽原子中的3個價電子組成完整的共價鍵，而與其相鄰的另1個矽原子的共價鍵中則缺少1個電子，出現了1個空穴。這個空穴被附近矽原子中的價電子來填充後，使3價的硼原子獲得了1個電子而變成負離子。同時，鄰近共價鍵上出現1個空穴。由於硼原子起著接受電子的作用，故稱為受主原子，又稱受主雜質。

PN結的組成

在本徵半導體中每摻入1個硼原子就可以提供1個空穴，當摻入一定數量的硼原子時，就可以使半導體中空穴的數目遠大於本徵激發電子的數目，成為多數載流子，而電子則成為少數載流子。顯然，參與導電的主要是空穴，故這種半導體稱為空穴型半導體，簡稱P型半導體。