半導體摻雜

純矽或鍺很少用作半導體。實際上，可用的半導體必須新增受控數量的雜質。新增雜質會改變導體的能力，使其充當半導體。向本徵或純淨材料中新增雜質的過程稱為摻雜，雜質稱為摻雜劑。摻雜後，本徵材料變為外延材料。實際上，只有在摻雜之後，這些材料才能使用。

當雜質新增到矽或鍺中而不會改變晶體結構時，就會產生N型材料。在某些原子中，電子在其價帶中具有五個電子，例如砷 (As) 和銻 (Sb)。用任一雜質摻雜矽不得改變晶體結構或鍵合過程。雜質原子的額外電子不參與共價鍵合。這些電子被它們的起源原子鬆散地結合在一起。下圖顯示了在新增雜質原子後矽晶體的改變。

摻雜對N型材料的影響

摻雜對N型材料的影響如下：

• 在純矽中新增砷後，晶體變為N型材料。

• 砷原子具有額外的電子或負電荷，這些電子不參與共價鍵合過程。

• 這些雜質會放棄或捐贈一個電子給晶體，因此被稱為施主雜質。

• N型材料比本徵材料具有額外的或自由電子。

• N型材料不帶負電。實際上，其所有原子在電學上都是中性的。

• 這些額外的電子不參與共價鍵合過程。它們可以自由地在晶體結構中移動。

• N型外延矽晶體只需施加0.005eV的能量即可導電。

• 使本徵晶體的電子從價帶移動到導帶只需要0.7eV。

通常，電子被認為是這種型別的晶體中的多數載流子，而空穴是少數載流子。新增到矽中的施主材料的數量確定其結構中的多數載流子數量。

N型矽中的電子數量遠遠大於本徵矽中的電子-空穴對。在室溫下，這種材料的電導率存在明顯的差異。有大量的載流子參與電流流動。在這種型別的材料中，電流主要由電子傳導。因此，外延材料成為良好的導體。

摻雜對P型材料的影響

摻雜對P型材料的影響如下：

• 當銦 (In) 或鎵 (Ga) 新增到純矽中時，就會形成P型材料。

• 這種型別的摻雜材料具有三個價電子。它們渴望尋找第四個電子。

• 在P型材料中，每個空穴都可以被電子填充。為了填充這個空穴區域，來自相鄰共價鍵合組的電子只需要很少的能量。

• 矽通常摻雜的摻雜劑範圍為1到106。這意味著P型材料將比純矽的電子-空穴對多出許多空穴。

• 在室溫下，這種材料的電導率存在非常確定的特徵差異。

下圖顯示了當用受主元素（在本例中為銦）摻雜時，矽的晶體結構是如何改變的。一塊P型材料不帶正電。其原子在電學上主要是中性的。

但是，許多原子組的共價結構中存在空穴。當電子移動並填充空穴時，空穴就會消失。在電子離開的鍵合組中會產生一個新的空穴。空穴的移動實際上是電子移動的結果。P型材料只需施加0.05 eV的能量即可導電。

上圖顯示了當P型晶體連線到電壓源時將如何響應。請注意，空穴的數量大於電子。在施加電壓的情況下，電子會被吸引到正極電池端子。

從某種意義上說，空穴向負極電池端子移動。此時會拾取一個電子。該電子立即填充一個空穴。然後，空穴就會消失。同時，正極電池端子會從材料中拉出一個電子。因此，由於電子在不同的鍵合組之間移動，空穴會朝負極端子移動。在施加能量的情況下，空穴流動是連續的。