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雜質(zhì)半導體

本征半導體的電阻率比較大，載流子濃度又小，且對溫度變化敏感，因此它的用途很有限。在本征半導體中，人為地摻入少量其他元素(稱雜質(zhì))，可以使半導體的導電性能發(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)的本征半導體叫雜質(zhì)半導體。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為兩種:

電子型半導體和空穴型半導體。載流子以電子為主的半導體叫電子型半導體，因為電子帶負電，取英文單詞“負”(Negative)的第一個字母“N”，所以電子型半導體又稱為N型半導體。載流子以空穴為主的半導體叫空穴型半導體。取英文單詞“正”(Positive)的第一個字母“P”,空穴型半導體又稱為P型半導體。下面以硅材料為例進行討論。

1、N型半導體

在本征半導體中摻入正五價元素(如磷、砷)使每一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，可以形成N型半導體。摻入的元素原子有5個價電子，其中4個與硅原子結(jié)合成共價鍵，余下的一個不在共價鍵之內(nèi)，摻入的五價元素原子對它的束縛力很小。因此在由本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，它們是少數(shù)載流子。這種雜質(zhì)半導體以自由電子導電為主，因而稱為電子型半導體，或N型半導體。在N型半導體中，由于自由電子是多數(shù)，故N型半導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型半導體

當本征半導體中摻入正三價雜質(zhì)元素(如硼、鎵)時，三價元素原子為形成四對共價鍵使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，常吸引附近半導體原子的價電子，從而產(chǎn)生一個空穴和一個負離子，故這種雜質(zhì)半導體的多數(shù)載流子是空穴，因為空穴帶正電，所以稱為P型半導體，也稱為空穴半導體。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，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體原子的價電子成為負離子，故稱為“受主雜質(zhì)”。在P型半導體中，由于空穴是多數(shù)，故P型半導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型半導體和N型半導體均屬非本征半導體。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，不能在外電場作用下作漂移運動，不參與導電，不屬于載流子。

1.1.4PN結(jié)

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

1、PN結(jié)的形成

在P型和N型半導體的交界面兩側(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)擴散，同時P區(qū)中的多數(shù)載流空穴也要向N區(qū)擴散，并且當電子和空穴相遇時，將發(fā)生復合而消失。如圖1-5所示。于是，在交界面兩側(cè)將分別形成不能移動的正、負離子區(qū)，正、負離子處于晶格位置而不能移動，所以稱為空間電荷區(qū)(亦稱為內(nèi)電場)。由于空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量極少，近似分析時可忽略不計，所以也稱其為耗盡層?？臻g電荷區(qū)一側(cè)帶正電，另一側(cè)帶負電，所以形成了內(nèi)電場Ein，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)電場Ein的作用下,P區(qū)和N區(qū)中的少子會向?qū)Ψ狡?，同時內(nèi)電場將阻止多子向?qū)Ψ綌U散，當擴散運動的多子數(shù)量與漂移運動的少子數(shù)量相等，兩種運動達到動態(tài)平衡的時候，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。