雜質(zhì)半導�,是指在本征半導�中摻入某些微量元素作為雜�(zhì),從而使半導體的導電性發(fā)生顯著變化的一種半導體。雜�(zhì)半導體摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素,因摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同,雜�(zhì)半導體可分為空穴(P)型半導體和電子(N)型半導體兩大類� 半導體中的雜�(zhì)對電導率的影響非常大,制備雜�(zhì)半導體時一般按百萬分之一�(shù)量級的比例在本征半導體中摻雜�
半導體中摻入微量雜質(zhì)時,雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀�(tài),在禁帶中產(chǎn)生附加的雜質(zhì)能級。能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主(donor)雜質(zhì),相應能級稱為施主能級,位于禁帶上方靠近導帶底附�。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜�(zhì)原子時,雜質(zhì)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(或硅)原子形成共價�,多余的一個電子被束縛于雜�(zhì)原子附近,產(chǎn)生類氫淺能級—施主能�。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激�(fā)到導帶所需能量小得�,很易激�(fā)到導帶成為電子載流子,因此對于摻入施主雜�(zhì)的半導體,導電載流子主要是被激�(fā)到導帶中的電�,屬電子導電�,稱為N型半導體。由于半導體中總是存在本征激�(fā)的電子空穴對,所以在n型半導體中電子是多數(shù)載流�,空穴是少數(shù)載流子�
相應�,能提供空穴載流子的雜質(zhì)稱為受主(acceptor)雜質(zhì),相應能級稱為受主能�,位于禁帶下方靠近價帶頂附近。例如在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素�、鋁、鎵等雜�(zhì)原子�,雜�(zhì)原子與周圍四個鍺(或硅)原子形成共價結合時尚缺少一個電�,因而存在一個空�,與此空位相應的能量狀�(tài)就是受主能級。由于受主能級靠近價帶頂,價帶中的電子很容易激�(fā)到受主能級上填補這個空�,使受主雜質(zhì)原子成為負電中心。同時價帶中由于電離出一個電子而留下一個空�,形成自由的空穴載流子,這一過程所需電離能比本征半導體情形下�(chǎn)生電子空穴對要小得多。因此這時空穴是多�(shù)載流子,雜質(zhì)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(shù)載流子,電子是少�(shù)載流�。在半導體器件的各種效應中,少數(shù)載流子常扮演重要角色�
不含雜質(zhì)和缺陷的純凈半導體,其內(nèi)部電子和空穴濃度相等,稱為本征半導體�本征半導�不宜用于制作半導體器�,因其制成的器件性能很不�(wěn)�。反�,摻入一定量雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體或非本征半導體,這是實際用于制作半導體器件及集成電路的材��
在硅(或鍺)的晶體內(nèi)摻入少量三價元素雜質(zhì),如硼(或銦)等,因硼原子只有三個價電子,它與周圍硅原子組成共價鍵時,因缺少一個電子,在晶體中便產(chǎn)生一個空�,當相鄰共價鍵上的電子受到熱振動或在其他激�(fā)條件下獲得能量時,就有可能填補這個空�,使硼原子成為不能移動的負離子,而原來硅原子的共價鍵則因缺少一個電�,形成了空穴,半導體呈中��
因為硼原子在硅晶體中能接受電�,故稱硼為受主雜�(zhì)或P型雜�(zhì)。加入硅或鍺的受主雜�(zhì)除硼外尚有銦和鋁。而加入砷化鎵的受主原子包括元素周期表中的Ⅱ族元素(作為鎵原子的受主)或Ⅳ族元素(作為砷原子的受主��
P型半導體的共價鍵結構
值得注意的是,在�(chǎn)生空穴的同時,并不產(chǎn)生新的自由電子,只是原來的晶體本身仍會產(chǎn)生少量的電子—空穴對??刂茡饺腚s�(zhì)的多少,便可控制空穴�(shù)�。在P型半導體中,空穴�(shù)遠大于自由電子數(shù),在這種半導體中,以空穴導電為主,因而空穴為多數(shù)載流�,自由電子為少數(shù)載流��
仿效P型半導體,為在半導體�(nèi)�(chǎn)生多余的電子,可以將一種叫做施主雜�(zhì)或N型雜�(zhì)摻入硅(或鍺)的晶體�(nèi)。施主原子在摻雜半導體的共價鍵結構中多余一個電子。在硅工藝中,典型的施主原子有磷、砷和銻。在砷化鎵工藝中,所用的施主原子包括元素周期表中的Ⅵ族元素(這些元素作為砷原子的施主)或Ⅳ族元素(用作鎵原子的施主)。當一個施主原子加入半導體�,其多余的電子易于受熱激�(fā)而掙脫共價鍵的束縛而成為自由電�。自由電子參與傳導電�,但它移動后,在施主原子的位置上留下一個固定的、不能移動的正離�,致使半導體仍保持中性。值得指出的是,在�(chǎn)生自由電子的同時,并不產(chǎn)生相應的空穴。正因為摻入施主原子的半導體而會有多余的自由電子,故稱之為電子型半導體或N型半導體。在N型半導體�,電子為多數(shù)載流�,空穴為少數(shù)載流子� N型半導體的共價鍵結構
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