什么是杂质半导体 杂质半导体有哪些种类及特征

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著变化。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。

1. 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。

2. 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。