半导体导电机制杂质与点阵的影响

01

杂质

不仅外来的原子，晶格中所有的缺陷都可能在禁带中引入新的能级，这些能级可以是施主型的，也可以是受主型的。特别是在半导体是化合物时，按照化学组成配比多余的原子也会在禁带中创造新的能级，因为它们并未占据晶格中的标准位置。

这些能级是施主能级还是受主能级，实际上取决于化合物中多余原子的化学特性。这也是为何我们称所有能在禁带中造成额外能级的因素为“杂质”的原因。由这些能级所引发的导电现象，我们统一称之为杂质导电。

如果我们在施主杂质的半导体中加入了受主杂质，由于补偿效应，由杂质产生的载流子数量会减少。同样，如果在以空穴为主要导电机制的半导体中掺入施主杂质，也会发生类似的现象。

有些半导体中杂质的浓度较低，且在常温下，杂质是提供载流子的主要来源。尽管我们可以通过现代方法进一步提纯这些半导体，有时甚至能将杂质含量降低到百万分之一以下，但提纯的结果会显著减少电导率，使半导体转变为本征半导体。

不过，通过巧妙地掺入杂质，我们可以制造出具有所需电导率的半导体。更为关键的是，我们甚至可以在经过提纯的半导体中创造出具有不同导电类型的区域。

02

杂质与电子

电子为何容易与杂质原子分离？原因在于自由原子的电离电势普遍不低于4伏，而杂质原子在晶格中的激活能往往远低于0.1电子伏。这种现象的物理基础在于物质介质的极化，这一性质由介电常数ε来衡量。当杂质原子掺入介质，电荷分布会重新调整，导致介电极化。

晶体的极化过程常导致总能量减少，进而削弱杂质原子中原子核与电子的结合力。这使得电子轨道扩大，电离能——即让电子脱离原子所需的能量——显著降低。

由于电子轨道的增大，即便在杂质浓度较低时，也可能形成导带。当价电子轨道显著扩大时，杂质原子可被视为介电质中的类氢原子，这时可以应用氢原子理论来计算其轨道半径和电离能。

值得注意的是，纯净的半导体中总存在一定量的杂质。在杂质半导体中，除了激发产生杂质载流子，还会伴随本征载流子的激发。

尽管这些本征载流子对杂质半导体的总体影响较小，但在某些情况下，我们不仅要考虑代表杂质半导体特性的主要载流子，还需考虑由本征导电产生的、具有相反符号的少量载流子。

电子和空穴的迁移率不同，导致n型和p型半导体的电阻值存在差异。杂质对半导体电导率的影响极大，锗的电阻变化范围可达百万倍，而硅的变化范围更是高达几亿倍。

03

杂质与点阵

在晶体点阵中杂质原子所占据的位置可以有二种方式:一种是在点阵的结点上，另一种是位于结点之间。对于第一种情形，我们说是“替代式杂质”，而第二种情形是“间隙式杂质”。现在我们来较详地讨论一下，在锗(或硅)的点阵中替代式杂质所产生的作用问题，低价杂质向四价点阵夺取一个电子时，在点阵中就出现了空穴。

这些空穴并不局限于点阵的某一个结点，它们在晶体中不断地进行杂乱的运动、如果对这样的晶休加上一个外电场 ，这些空穴的运动将具有一定的方向性，并在实验中表现出空穴的正导电性。

其实，在这种情况下，真正运动的是电子不过，电子从一个原子到另一个原子的顺序移动可以形式地描为一个空穴进行着和电子逆向的运动、可以这样说，在这种情况下，可以用一个空穴的相应运动来代替许多电子的运动，杂质原子替代后所起的作用取决于它们的化学价。

从普遍的概念出发，可以作出结论:当金属原子用失去外层电子的方法来激烈削减自己的体积时，才可能掺入到狭窄的点阵结点间隙中去，同时所失去的电子就在晶体中进行运动，而使晶体具有电子导电的特性。同样也可以得出结论，由于离子的半径很大，很多类金属的离子是不可能掺入到点阵结点间中去的。

还可能由于金属原子的过剩，在离子点阵中形成一些空着的负结点。从整个物体的电中性观念出发，同样数量的阳离子必须和电子互相结合而变成中性态。由于和电子的结合而形成的电中性状态，也可以在点阵中移动而构成电子导电性:根据同样的理由，过剩的类金属原子可以形成空的正结点，必然使邻近的阴离子中和，或者使金属离子产生补充的电离(如果在能量上是比较有利的话)。

不论在任何一种情况下，空的结点总是和点阵电子有所联系的，即在晶体中形成了空穴。这些空穴可以在晶体中运动而形成空穴导电性。在我们所讨论的这二种情况中，离子晶体的导电状态都是激发态。

这个结论的物理内容就是:在第一种情况下，电子的脱离和第二种情况下空穴的形成都需要消耗一定的激发能。因此，在绝对零度、完全漆黑和微弱的外电场条件下，这样的离子晶体应当是最好的绝缘体。

审核编辑：黄飞