1.1.2 杂质半导体

1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩在法拉第半导体导电性质研究的基础上发现：当本征半导体和金属探针接触时，在其接触面上会产生单向导电特性（即电流从一个方向可以通过，而反之则不能）。这一特性可以广泛用于整流、信号检测等领域，从而进一步拓展了人们对于半导体物理学的研究。

进一步的研究表明，单向导电特性和半导体受到本征激发产生的两种载流子有着直接的关系，而本征激发受外部条件的影响极大。因此在应用中，如果不对本征半导体加以改进，就会影响单向导电特性的稳定发挥。改进的思路是：既要改变（增大）半导体内部的载流子浓度，又不希望这种改变由本征激发产生。因此，最直接的方法就是使用掺杂技术。

在本征半导体中，有选择地掺入少量其他元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体，根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。

1.N型半导体

在本征硅（或锗）中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出的一个价电子只能位于共价键之外，如图1.1.4所示。由于这个键外电子受杂质原子的束缚力很弱，所以只需很小的能量便可挣脱杂质原子的束缚，成为自由电子。因此，室温下几乎每个杂质原子都能提供一个自由电子，从而使N型半导体中的电子数大大增加。因为这种杂质原子能“施舍”出一个电子，所以称为施主原子（或施主杂质）。施主原子失去一个价电子后，便成为正离子，称为施主正离子。由于施主正离子被束缚在晶格中，不能自由移动，所以不能参与导电。

在这种杂质半导体中，不但有杂质电离产生的自由电子，而且还有本征激发产生的电子-空穴对，由于掺杂浓度远远大于本征激发的载流子浓度，因此自由电子的数量比空穴的数量大得多，故称自由电子为多数载流子，简称多子，而空穴占少数，故称为少数载流子，简称少子。应当指出，在N型半导体中，虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，所以整个半导体仍然是电中性的。

2.P型半导体

在本征硅（或锗）中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1.1.5所示。由于空位的存在，邻近共价键内的电子只需很小的激发就能填补这个空位，使杂质原子因多一个价电子而成为负离子，同时在邻近产生一个空穴。由于这种杂质原子能接受价电子，所以称为受主原子（或受主杂质）。在室温下，几乎全部的受主原子都能接受一个价电子而成为负离子，称为受主负离子，同时产生相同数目的空穴，所以在P型半导体中，空穴浓度大大增加。

在这种杂质半导体中，同样既有自由电子，又有空穴。空穴是由杂质电离和本征激发产生的；而自由电子只是由本征激发产生。空穴的数量比自由电子大得多，空穴是多子，自由电子则为少子。在P型半导体中，空穴数等于自由电子数加受主负离子数，整个半导体也是电中性的。

3.杂质半导体的载流子浓度

在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。例如，在室温下，硅的本征载流子浓度ni=1.43×1010cm-3，硅的原子密度为5×1022cm-3，若掺入百万分之一的磷原子，则施主杂质浓度为

ND=5×1022×10-6=5×1016cm-3

可见，由杂质提供的电子数是ni的百万倍以上。因此，在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺杂浓度决定。具体而言，对N型半导体，电子浓度nN近似等于施主浓度ND；对P型半导体，空穴浓度pP近似等于受主浓度NA。

杂质半导体的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。理论证明，在热平衡下，两种载流子浓度的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方，即 。

4.掺杂的意义

由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，其浓度与本征激发和复合有关，受温度的影响很大，所以它对半导体器件的温度特性有很大影响。

通过掺杂技术，半导体的载流子浓度几乎只取决于外部掺杂杂质的浓度。杂质半导体在外加电场作用下形成内部电流，由本征电流转变成杂质电流，从而提高了内部电流的稳定性。

在同一块半导体材料中，既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，它到底会成为哪种半导体材料呢？这主要由施主杂质和受主杂质的浓度决定。哪一种浓度高，就成为哪种半导体。由此可见，采用适当的掺杂密度，可以使P型和N型半导体相互转换。