什么是雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體有哪些種類及特征

在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)形成雜質(zhì)半導(dǎo)體后, 其導(dǎo)電性能將發(fā)生顯著變化。按摻入雜質(zhì)的不同,雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。

1. N 型半導(dǎo)體

如果在本征半導(dǎo)體硅(或鍺) 中摻入微量 5 價(jià)雜質(zhì)元素,如磷、銻、砷等, 由于雜質(zhì)原子的最外層有 5 個(gè)價(jià)電子,當(dāng)其中的 4 個(gè)與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí), 就會(huì)有多余的 1 個(gè)價(jià)電子。這個(gè)電子只受自身原子核的吸引,不受共價(jià)鍵的束縛, 室溫下就能變成自由電子, 如圖 2. 2 ( a ) 所示。磷(或銻、砷)原子失去一個(gè)電子后, 成為不能移動(dòng)的正離子。摻入的雜質(zhì)元素越多,自由電子的濃度就越高,數(shù)量就越多。并且在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中, 電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度。因此,電子稱為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子) ,空穴稱為少數(shù)載流子( 簡(jiǎn)稱少子)。在外電場(chǎng)的作用下, 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的電流主要是電子電流。由于電子帶負(fù)電荷, 因此這種以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為 N 型半導(dǎo)體。

2. P 型半導(dǎo)體

如果在本征半導(dǎo)體硅(或鍺) 中摻入微量 3 價(jià)元素,如硼、鎵、銦等, 由于雜質(zhì)原子的最外層有 3 個(gè)價(jià)電子,當(dāng)它和周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí), 將缺少 1 個(gè)價(jià)電子而出現(xiàn) 1 個(gè)空穴, 附近的共價(jià)鍵中的電子很容易來(lái)填補(bǔ)。如圖 2. 2 ( b) 所示。硼( 或鎵、銦 ) 原子獲得 1 個(gè)價(jià)電子后,成為不能移動(dòng)的負(fù)離子,同時(shí)產(chǎn)生 1 個(gè)空穴。所以, 摻入了 3 價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。在外電場(chǎng)的作用下, 其電流主要是空穴電流。這種以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱為 P 型半導(dǎo)體。

綜上所述, 在本征半導(dǎo)體中摻入 5 價(jià)元素可以得到 N 型半導(dǎo)體, 摻入 3 價(jià)元素可以得到 P型半導(dǎo)體。在 N 型半導(dǎo)體中, 由于自由電子數(shù)目大大增加, 增加了與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì), 因此空穴數(shù)目便減少了;同樣, 在 P 型半導(dǎo)體中, 空穴數(shù)目大大增加, 自由電子數(shù)目較摻雜前減少了。由此可知,多數(shù)載流子的濃度取決于摻雜濃度; 而少數(shù)載流子的濃度受溫度影響很大。

本征半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度相等, 而摻雜半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度差異相當(dāng)大。在動(dòng)態(tài)平衡條件下, N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的濃度滿足下列關(guān)系:

pi·ni = pp·np = pn·nn

式中, pi , ni , pp , np , pn , nn 分別為本征半導(dǎo)體, P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體中的空穴濃度和電子濃度。

應(yīng)當(dāng)注意的是, 摻雜后對(duì)于 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體而言, 盡管都有一種載流子是多數(shù)載流子,一種載流子是少數(shù)載流子, 但整個(gè)半導(dǎo)體中由于正負(fù)電荷數(shù)是相等的, 它們的作用相互抵消,因此保持電中性。