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雜質(zhì)半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的電阻率比較大，載流子濃度又小，且對(duì)溫度變化敏感，因此它的用途很有限。在本征半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺肷倭科渌?span style="font-size: 14px; font-family: Calibri;">(稱雜質(zhì))，可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化。利用這一特性，可以制成各種性能不同的半導(dǎo)體器件，這樣使得它的用途大大增加。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為兩種:

電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體。載流子以電子為主的半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體，因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，取英文單詞“負(fù)”(Negative)的第一個(gè)字母“N”，所以電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體。載流子以空穴為主的半導(dǎo)體叫空穴型半導(dǎo)體。取英文單詞“正”(Positive)的第一個(gè)字母“P”,空穴型半導(dǎo)體又稱為P型半導(dǎo)體。下面以硅材料為例進(jìn)行討論。

1、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入正五價(jià)元素(如磷、砷)使每一個(gè)五價(jià)元素取代一個(gè)四價(jià)元素在晶體中的位置，可以形成N型半導(dǎo)體。摻入的元素原子有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與硅原子結(jié)合成共價(jià)鍵，余下的一個(gè)不在共價(jià)鍵之內(nèi)，摻入的五價(jià)元素原子對(duì)它的束縛力很小。因此在由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，它們是少數(shù)載流子。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體以自由電子導(dǎo)電為主，因而稱為電子型半導(dǎo)體，或N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，由于自由電子是多數(shù)，故N型半導(dǎo)體中的自由電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，而空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。

2、P型半導(dǎo)體

當(dāng)本征半導(dǎo)體中摻入正三價(jià)雜質(zhì)元素(如硼、鎵)時(shí)，三價(jià)元素原子為形成四對(duì)共價(jià)鍵使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，常吸引附近半導(dǎo)體原子的價(jià)電子，從而產(chǎn)生一個(gè)空穴和一個(gè)負(fù)離子，故這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，因?yàn)榭昭◣д姡苑Q為P型半導(dǎo)體，也稱為空穴半導(dǎo)體。除了多數(shù)載流子空穴外，還存在由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，可形成少數(shù)載流子自由電子。由于所摻入的雜質(zhì)元素原子易于接受相鄰的半導(dǎo)體原子的價(jià)電子成為負(fù)離子，故稱為“受主雜質(zhì)”。在P型半導(dǎo)體中，由于空穴是多數(shù)，故P型半導(dǎo)體中的空穴稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，而自由電子稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體均屬非本征半導(dǎo)體。其中多數(shù)載流子的濃度取決于摻入的雜質(zhì)元素原子的密度;少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度;而所產(chǎn)生的離子，不能在外電場(chǎng)作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，不參與導(dǎo)電，不屬于載流子。

1.1.4PN結(jié)

如果將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體則在二者的交界處將形成一個(gè)PN結(jié)。

1、PN結(jié)的形成

在P型和N型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)，由于自由電子和空穴的濃度相差懸殊，所以N區(qū)中的多數(shù)載流子自由電子要向P區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)P區(qū)中的多數(shù)載流空穴也要向N區(qū)擴(kuò)散，并且當(dāng)電子和空穴相遇時(shí)，將發(fā)生復(fù)合而消失。如圖1-5所示。于是，在交界面兩側(cè)將分別形成不能移動(dòng)的正、負(fù)離子區(qū)，正、負(fù)離子處于晶格位置而不能移動(dòng)，所以稱為空間電荷區(qū)(亦稱為內(nèi)電場(chǎng))。由于空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量極少，近似分析時(shí)可忽略不計(jì)，所以也稱其為耗盡層。空間電荷區(qū)一側(cè)帶正電，另一側(cè)帶負(fù)電，所以形成了內(nèi)電場(chǎng)Ein，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)電場(chǎng)Ein的作用下,P區(qū)和N區(qū)中的少子會(huì)向?qū)Ψ狡疲瑫r(shí)內(nèi)電場(chǎng)將阻止多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)量與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)量相等，兩種運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)候，空間電荷區(qū)的寬度一定，PN結(jié)就形成了。一般，空間電荷區(qū)的寬度很薄，約為幾微米~幾十微米;由于空間電荷區(qū)內(nèi)幾乎沒有流子，其電阻率很高。