半导体掺杂

纯硅或锗很少用作半导体。实际上，可用的半导体必须添加受控数量的杂质。添加杂质会改变导体的能力，使其充当半导体。向本征或纯净材料中添加杂质的过程称为掺杂，杂质称为掺杂剂。掺杂后，本征材料变为外延材料。实际上，只有在掺杂之后，这些材料才能使用。

当杂质添加到硅或锗中而不会改变晶体结构时，就会产生N型材料。在某些原子中，电子在其价带中具有五个电子，例如砷 (As) 和锑 (Sb)。用任一杂质掺杂硅不得改变晶体结构或键合过程。杂质原子的额外电子不参与共价键合。这些电子被它们的起源原子松散地结合在一起。下图显示了在添加杂质原子后硅晶体的改变。

掺杂对N型材料的影响

掺杂对N型材料的影响如下：

• 在纯硅中添加砷后，晶体变为N型材料。

• 砷原子具有额外的电子或负电荷，这些电子不参与共价键合过程。

• 这些杂质会放弃或捐赠一个电子给晶体，因此被称为施主杂质。

• N型材料比本征材料具有额外的或自由电子。

• N型材料不带负电。实际上，其所有原子在电学上都是中性的。

• 这些额外的电子不参与共价键合过程。它们可以自由地在晶体结构中移动。

• N型外延硅晶体只需施加0.005eV的能量即可导电。

• 使本征晶体的电子从价带移动到导带只需要0.7eV。

通常，电子被认为是这种类型的晶体中的多数载流子，而空穴是少数载流子。添加到硅中的施主材料的数量确定其结构中的多数载流子数量。

N型硅中的电子数量远远大于本征硅中的电子-空穴对。在室温下，这种材料的电导率存在明显的差异。有大量的载流子参与电流流动。在这种类型的材料中，电流主要由电子传导。因此，外延材料成为良好的导体。

掺杂对P型材料的影响

掺杂对P型材料的影响如下：

• 当铟 (In) 或镓 (Ga) 添加到纯硅中时，就会形成P型材料。

• 这种类型的掺杂材料具有三个价电子。它们渴望寻找第四个电子。

• 在P型材料中，每个空穴都可以被电子填充。为了填充这个空穴区域，来自相邻共价键合组的电子只需要很少的能量。

• 硅通常掺杂的掺杂剂范围为1到106。这意味着P型材料将比纯硅的电子-空穴对多出许多空穴。

• 在室温下，这种材料的电导率存在非常确定的特征差异。

下图显示了当用受主元素（在本例中为铟）掺杂时，硅的晶体结构是如何改变的。一块P型材料不带正电。其原子在电学上主要是中性的。

但是，许多原子组的共价结构中存在空穴。当电子移动并填充空穴时，空穴就会消失。在电子离开的键合组中会产生一个新的空穴。空穴的移动实际上是电子移动的结果。P型材料只需施加0.05 eV的能量即可导电。

上图显示了当P型晶体连接到电压源时将如何响应。请注意，空穴的数量大于电子。在施加电压的情况下，电子会被吸引到正极电池端子。

从某种意义上说，空穴向负极电池端子移动。此时会拾取一个电子。该电子立即填充一个空穴。然后，空穴就会消失。同时，正极电池端子会从材料中拉出一个电子。因此，由于电子在不同的键合组之间移动，空穴会朝负极端子移动。在施加能量的情况下，空穴流动是连续的。