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N型杂质/P型杂质,N型杂质/P型杂质是什么意思

2011-05-03 09:10:57   发表:

N型杂质/P型杂质,N型杂质/P型杂质是什么意思

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。

在纯单晶的本征半导体中,掺杂一些有用的杂质,使其导电特性得到很大的改善。而其导电性能取决于杂质的类型和含量。这样的半导体即称为“杂质半导体”。大多数半导体都是这一种类型。将半导体材料提纯,再用扩散或用离子注入法掺入适当的杂质,可以制成n型半导体或p型半导体。利用不同类型的杂质半导体,可以制成整流器,半导体二极管、半导体三极管和集成电路等重要部件。由此可以看到,只有杂质半导体才是最有用的。

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(图1.5)。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。由于原子价层只能容纳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。

image:bk064912d-1.jpg

图1 掺磷硅的简化晶体结构

“n”表示负电的意思,在这类半导体中,参与导电的主要是带负电的电子,这些电子来自半导体中的“施主”杂质。所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能。例如,半导体锗和硅中的五价元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质。如果在某一半导体的杂质总量中,施主杂质的数量占多数,则这种半导体就是n型半导体。如果在硅单晶中掺入五价元素砷、磷。则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后,磷外层的五个电子中,四个电子组成共价键,多出的一个电子受原子核束缚很小,因此很容易成为自由电子。所以这种半导体中,电子载流子的数目很多,主要靠电子导电,叫做电子半导体,简称n型半导体。

“p”表示正电的意思。在这种半导体中,参与导电的主要是带正电的空穴,这些空穴来自于半导体中的“受主”杂质。所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半导体中的价电子,产生同数量的空穴,从而改变了半导体的导电性能。例如,半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主。如果某一半导体的杂质总量中,受主杂质的数量占多数,则这半导体是p型半导体。如果在单晶硅上掺入三价硼原子,则硼原子与硅原子组成共价键。由于硼原子数目比硅原子要少很多,因此整个晶体结构基本不变,只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。硼是三价元素,外层只有三个价电子,所以当它与硅原子组成共价键时,就自然形成了一个空穴。这样,掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴,从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体内几乎没有自由电子,主要靠空穴导电,所以叫做空穴半导体,简称p型半导体。

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(图1.6)。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,硼原子就由于在原子价层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。

image:bk064912d-2.jpg

图2掺硼硅的简化晶体结构。

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受主。掺有受主的半导体是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。

半导体能同时掺入受主和施主。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施主来把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受主来把N型半导体转换为P型半导体。

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