N型和P型半导体的导电特性

N型和P型半导体的导电特性

半导体材料是现代电子工业的基础，其导电特性可以通过掺杂不同类型的杂质来调节。本文将详细介绍N型和P型半导体的导电特性，包括本征电导率、外在电导率、掺杂半导体的概念，并通过具体的元素和能带理论来说明P型和N型半导体的形成机制。

本征电导率

本征电导率是由纯材料中的电子运动产生的。然而，对于帮助电子电路的半导体来说，其电阻率（电导率的倒数）在 26.85°C (300°K) 时必须在 10ˉ ohm-m 的 1 或 2 个数量级之间。锗和硅的固有电阻率在电子电路中的实用性有限（26.85 °C 时分别为 4710ˉ 和 2.3 10 Ω-m）。

外在电导率

添加某些电子杂质会增加材料的电导率。杂质是晶体结构中引入的不同元素的原子。增强的电导率是外在电导率。

晶体中所需的杂质原子比例约为百万分之一。这种微小的杂质不会显着改变晶体的冶金特性，但会导致半导体的电导率发生显着变化。

掺杂半导体

掺杂是引入杂质以使一种特定载流子占主导地位的过程。结果是掺杂的半导体。

对于硅和锗，典型的杂质是位于现代版本周期表第 13 和 15 列的元素。

P型半导体

空位或空穴和自由电子在本征材料中的数量相等。考虑将铝作为杂质添加到硅中。硅具有与菱形碳相同的立方结构。铝的价电子层具有三个电子，因此铝原子在立方结构的共价键中留下电子空位。

通过在材料中施加电场，相邻电子可以移动到该空位中。当相邻的电子移入该空穴时，该空穴向负极移动并充当正电荷。在这种情况下，我们所说的是 p 型（或正型）半导体。由于铝原子从硅原子捕获电子，因此它是一种受体材料。

图 1. 硅加铝。

关于能带，杂质在价带附近引入了空的离散能级，如图2所示。将价带的一些电子激发到杂质能级中，在价带中产生空穴并不困难。

图 2. 添加受主或 p 型杂质后的能级

用作受体的其他三价原子是铟、硼和镓。

N型半导体

磷有五个价电子。将磷添加到硅而不是铝中会为每个杂质原子引入一个额外的电子。第五价电子不处于低能共价键中，而是保持高能，位于导带下方。它们需要少量的额外能量（零点几电子伏特）才能在电场存在的情况下加速并跃入导带。在这种情况下，主要载流子是电子，我们称之为 n 型（或负）半导体。

晶体中的磷杂质是一种施主材料，因为它提供自由电子用于传导。

图 3.硅加磷。

图 4. 施主或 n 型杂质。

用作供体的其他五价原子是砷和锑。

电子迁移率

对晶格施加外部电场会对自由电子施加力；为了响应场，并且由于每单位电荷的质量较小，电子表现出快速的速度变化。在它们的负电荷作用下，加速度将与场的方向相反。

一些摩擦力是由晶格中的杂质散射电子引起的，包括位错、杂质原子、间隙原子、空位和原子的热振动。这些力抵消了外部场驱动的加速度。碰撞之间的平均距离是平均自由程。

电子迁移率是散射事件频率的指标，它受到发生的偏转或反射数量的限制。方向变化之间更大的自由路径允许更大的加速度。

电子迁移率影响漂移速度和电导率。

漂移是外部场施加的力方向上的平均电子速度。这种运动叠加了由于热能扩散而产生的随机运动。这种定向电子流建立了电流。

电导率与自由电子的数量和电子迁移率成正比。热搅动、杂质和塑性变形等因素会降低金属的电导率，因为这些缺陷结合在一起，导致晶体电场不规则。电场异常会减少电子路径、平均自由电子路径以及终的电导率。

关于半导体中的电子和空穴

纯材料中的固有电子结构决定了本征半导体的电学行为。在非本征半导体中，杂质原子规定了电特性。

杂质是增强半导体导电性的外来原子。杂质原子可以具有比半导体原子更少或更多的电子。

掺杂是向半导体材料添加杂质以提供导电自由载流子的过程。据说该半导体已被掺杂。

现代版本元素周期表中第 13 列的元素是受主杂质，因为它们接受来自价结构的电子，产生空穴。

现代版本元素周期表中第 15 列的元素是施主元素，因为它们向晶体提供自由电子。供体不会在价带内产生空穴。

对于硅和锗，常见的受主杂质是铝、镓、硼和铟；典型的施主杂质是磷、锑和砷。

添加具有3个价电子的杂质原子将产生p型非本征半导体；具有 5 个价电子的杂质将形成 n 型非本征半导体。

金属中的电子在电场的影响下加速。与晶格缺陷的碰撞限制了速度的变化。漂移速度叠加电子的随机热运动，产生电流。