半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)制雜質(zhì)與點(diǎn)陣的影響

01

雜質(zhì)

不僅外來的原子，晶格中所有的缺陷都可能在禁帶中引入新的能級，這些能級可以是施主型的，也可以是受主型的。特別是在半導(dǎo)體是化合物時(shí)，按照化學(xué)組成配比多余的原子也會(huì)在禁帶中創(chuàng)造新的能級，因?yàn)樗鼈儾⑽凑紦?jù)晶格中的標(biāo)準(zhǔn)位置。

這些能級是施主能級還是受主能級，實(shí)際上取決于化合物中多余原子的化學(xué)特性。這也是為何我們稱所有能在禁帶中造成額外能級的因素為“雜質(zhì)”的原因。由這些能級所引發(fā)的導(dǎo)電現(xiàn)象，我們統(tǒng)一稱之為雜質(zhì)導(dǎo)電。

如果我們在施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中加入了受主雜質(zhì)，由于補(bǔ)償效應(yīng)，由雜質(zhì)產(chǎn)生的載流子數(shù)量會(huì)減少。同樣，如果在以空穴為主要導(dǎo)電機(jī)制的半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象。

有些半導(dǎo)體中雜質(zhì)的濃度較低，且在常溫下，雜質(zhì)是提供載流子的主要來源。盡管我們可以通過現(xiàn)代方法進(jìn)一步提純這些半導(dǎo)體，有時(shí)甚至能將雜質(zhì)含量降低到百萬分之一以下，但提純的結(jié)果會(huì)顯著減少電導(dǎo)率，使半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)楸菊靼雽?dǎo)體。

不過，通過巧妙地?fù)饺腚s質(zhì)，我們可以制造出具有所需電導(dǎo)率的半導(dǎo)體。更為關(guān)鍵的是，我們甚至可以在經(jīng)過提純的半導(dǎo)體中創(chuàng)造出具有不同導(dǎo)電類型的區(qū)域。

02

雜質(zhì)與電子

電子為何容易與雜質(zhì)原子分離？原因在于自由原子的電離電勢普遍不低于4伏，而雜質(zhì)原子在晶格中的激活能往往遠(yuǎn)低于0.1電子伏。這種現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)在于物質(zhì)介質(zhì)的極化，這一性質(zhì)由介電常數(shù)ε來衡量。當(dāng)雜質(zhì)原子摻入介質(zhì)，電荷分布會(huì)重新調(diào)整，導(dǎo)致介電極化。

晶體的極化過程常導(dǎo)致總能量減少，進(jìn)而削弱雜質(zhì)原子中原子核與電子的結(jié)合力。這使得電子軌道擴(kuò)大，電離能——即讓電子脫離原子所需的能量——顯著降低。

由于電子軌道的增大，即便在雜質(zhì)濃度較低時(shí)，也可能形成導(dǎo)帶。當(dāng)價(jià)電子軌道顯著擴(kuò)大時(shí)，雜質(zhì)原子可被視為介電質(zhì)中的類氫原子，這時(shí)可以應(yīng)用氫原子理論來計(jì)算其軌道半徑和電離能。

值得注意的是，純凈的半導(dǎo)體中總存在一定量的雜質(zhì)。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，除了激發(fā)產(chǎn)生雜質(zhì)載流子，還會(huì)伴隨本征載流子的激發(fā)。

盡管這些本征載流子對雜質(zhì)半導(dǎo)體的總體影響較小，但在某些情況下，我們不僅要考慮代表雜質(zhì)半導(dǎo)體特性的主要載流子，還需考慮由本征導(dǎo)電產(chǎn)生的、具有相反符號的少量載流子。

電子和空穴的遷移率不同，導(dǎo)致n型和p型半導(dǎo)體的電阻值存在差異。雜質(zhì)對半導(dǎo)體電導(dǎo)率的影響極大，鍺的電阻變化范圍可達(dá)百萬倍，而硅的變化范圍更是高達(dá)幾億倍。

03

雜質(zhì)與點(diǎn)陣

在晶體點(diǎn)陣中雜質(zhì)原子所占據(jù)的位置可以有二種方式:一種是在點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，另一種是位于結(jié)點(diǎn)之間。對于第一種情形，我們說是“替代式雜質(zhì)”，而第二種情形是“間隙式雜質(zhì)”?，F(xiàn)在我們來較詳?shù)赜懻撘幌拢阪N(或硅)的點(diǎn)陣中替代式雜質(zhì)所產(chǎn)生的作用問題，低價(jià)雜質(zhì)向四價(jià)點(diǎn)陣奪取一個(gè)電子時(shí)，在點(diǎn)陣中就出現(xiàn)了空穴。

這些空穴并不局限于點(diǎn)陣的某一個(gè)結(jié)點(diǎn)，它們在晶體中不斷地進(jìn)行雜亂的運(yùn)動(dòng)、如果對這樣的晶休加上一個(gè)外電場 ，這些空穴的運(yùn)動(dòng)將具有一定的方向性，并在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出空穴的正導(dǎo)電性。

其實(shí)，在這種情況下，真正運(yùn)動(dòng)的是電子不過，電子從一個(gè)原子到另一個(gè)原子的順序移動(dòng)可以形式地描為一個(gè)空穴進(jìn)行著和電子逆向的運(yùn)動(dòng)、可以這樣說，在這種情況下，可以用一個(gè)空穴的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)來代替許多電子的運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)原子替代后所起的作用取決于它們的化學(xué)價(jià)。

從普遍的概念出發(fā)，可以作出結(jié)論:當(dāng)金屬原子用失去外層電子的方法來激烈削減自己的體積時(shí)，才可能摻入到狹窄的點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)間隙中去，同時(shí)所失去的電子就在晶體中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而使晶體具有電子導(dǎo)電的特性。同樣也可以得出結(jié)論，由于離子的半徑很大，很多類金屬的離子是不可能摻入到點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)間中去的。

還可能由于金屬原子的過剩，在離子點(diǎn)陣中形成一些空著的負(fù)結(jié)點(diǎn)。從整個(gè)物體的電中性觀念出發(fā)，同樣數(shù)量的陽離子必須和電子互相結(jié)合而變成中性態(tài)。由于和電子的結(jié)合而形成的電中性狀態(tài)，也可以在點(diǎn)陣中移動(dòng)而構(gòu)成電子導(dǎo)電性:根據(jù)同樣的理由，過剩的類金屬原子可以形成空的正結(jié)點(diǎn)，必然使鄰近的陰離子中和，或者使金屬離子產(chǎn)生補(bǔ)充的電離(如果在能量上是比較有利的話)。

不論在任何一種情況下，空的結(jié)點(diǎn)總是和點(diǎn)陣電子有所聯(lián)系的，即在晶體中形成了空穴。這些空穴可以在晶體中運(yùn)動(dòng)而形成空穴導(dǎo)電性。在我們所討論的這二種情況中，離子晶體的導(dǎo)電狀態(tài)都是激發(fā)態(tài)。

這個(gè)結(jié)論的物理內(nèi)容就是:在第一種情況下，電子的脫離和第二種情況下空穴的形成都需要消耗一定的激發(fā)能。因此，在絕對零度、完全漆黑和微弱的外電場條件下，這樣的離子晶體應(yīng)當(dāng)是最好的絕緣體。

審核編輯：黃飛