半導(dǎo)體行業(yè)之半導(dǎo)體材料特性（四）

摻雜半導(dǎo)體

本征態(tài)的半導(dǎo)體材料在制作固態(tài)器件時(shí)是無(wú)用的，因?yàn)樗鼪](méi)有自由移動(dòng)的電子或者空穴，所以不能導(dǎo)電。然而，通過(guò)一個(gè)叫做摻雜的過(guò)程，將特定的元素被引入本征半導(dǎo)體材料，這時(shí)候，新產(chǎn)生的材料就有了可以導(dǎo)電的性質(zhì)，也就是說(shuō)，這些元素增加了本征半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率。該摻雜材料表現(xiàn)出的兩個(gè)獨(dú)特之處是固態(tài)電子學(xué)的基礎(chǔ)。這兩個(gè)屬性是:1。通過(guò)摻雜的多少、摻雜元素的種類等方面，可以精確控制材料的電阻率；2.電子和空穴導(dǎo)電的能力。

摻雜半導(dǎo)體的電阻率

金屬的電導(dǎo)率范圍限制在10^ 4到10^6每歐姆-厘米。在上節(jié)對(duì)電阻的說(shuō)明當(dāng)中，我們湘西的討論了限制材料電阻率的一些參數(shù)，這里就不再繼續(xù)贅述了。在給定具有特定電阻率的特定金屬之后，唯一改變給定體積內(nèi)電阻值的方法就是是改變尺寸。在一個(gè)半導(dǎo)性材料之中，由于摻雜濃度這個(gè)新的調(diào)節(jié)方法出現(xiàn)了，通過(guò)這種方式可以改變材料的電阻率可以，也就相當(dāng)于給出相對(duì)金屬材料另一個(gè)設(shè)計(jì)電阻的自由度。半導(dǎo)體就是這樣的材料。通過(guò)添加不同特性的摻雜劑原子，他們的電阻率可以擴(kuò)展到10^-3到10^3。

半導(dǎo)體材料通過(guò)元素?fù)诫s到一個(gè)較寬的電阻范圍的形式有兩類，材料要么富含電子(n型)，要么富含空穴(p型)。下圖顯示了摻雜水平與硅電阻率的關(guān)系。x軸表示載流子濃度，因?yàn)殡娮踊蚩昭ㄎ镔|(zhì)被稱為載流子。注意這里有兩條曲線:n型和p型。那是因?yàn)橐苿?dòng)電子和空穴所需的能量不同，所以必須氛圍兩種類型。如曲線所示，在硅中產(chǎn)生給定電阻率所需的n型摻雜劑濃度低于p型摻雜劑濃度。如何解釋這種差異性呢？一種表達(dá)方式是，移動(dòng)一個(gè)電子比移動(dòng)一個(gè)電子消耗更少的能量移動(dòng)一個(gè)空穴。

只需要0.000001%到0.1%的摻雜劑就能產(chǎn)生半導(dǎo)體材料進(jìn)入一個(gè)有用的電阻率范圍。半導(dǎo)體的這一特性意味著：我們可以利用半導(dǎo)體材料，創(chuàng)建出非常精確的電阻率區(qū)域。

電子和空穴導(dǎo)電

金屬導(dǎo)體的另一個(gè)限制是它只能通過(guò)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是通過(guò)電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。金屬永遠(yuǎn)是n型的。但是，與金屬材料不同的是：半導(dǎo)體可以通過(guò)摻雜特定的摻雜元素制成n型或p型。n和p型半導(dǎo)體可以通過(guò)電子或空穴來(lái)導(dǎo)電。在分析這些材料的傳導(dǎo)機(jī)制之前，先考慮如何在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造出自由(或額外)電子或空穴更有現(xiàn)實(shí)中的指導(dǎo)意義。

為了理解n型半導(dǎo)體的情況，考慮一塊硅(Si)摻雜極少量的砷(As)，如下圖所示。假設(shè)偶數(shù)個(gè)的混合方式，每個(gè)砷原子被4個(gè)硅原子包圍的情況。應(yīng)用“元素周期表”一節(jié)的規(guī)則，原子通過(guò)在原子的外環(huán)上形成8個(gè)電子來(lái)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的原子狀態(tài)，與相鄰的硅原子共用四個(gè)電子。然而，砷是來(lái)自V列，這意味著它的外環(huán)有5個(gè)電子。最終結(jié)果是這四個(gè)電子與硅原子的電子配對(duì)，只剩下一個(gè)沒(méi)有配對(duì)的電子，這一個(gè)電子就可用于導(dǎo)電。

那么，空穴是如何形成的？我們下節(jié)繼續(xù)！

審核編輯：劉清