掺杂半导体：P/N型半导体解读
掺杂半导体：P/N型半导体解读
半导体是现代电子工业的基石，而掺杂半导体则是半导体器件制造中的关键技术。通过在纯净半导体中掺入特定的杂质元素，可以改变其导电性能，从而实现各种电子器件的功能。本文将详细介绍N型半导体和P型半导体的形成原理和特性。
1. 扩散工艺
通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。半导体扩散工艺是半导体制造中非常重要的一个步骤，它涉及将特定的掺杂物（如磷、硼、砷等）引入硅晶圆，以调整其导电性。以下是关于半导体扩散工艺的一些关键点：
- 扩散的基本原理：扩散是指分子从高浓度区域向低浓度区域移动的过程。在半导体制造中，这个过程涉及到将掺杂物通过扩散在硅晶体中移动，从而形成特定的电特性。
扩散的主要影响因素：
- 掺杂物类型：不同的掺杂物有不同的扩散系数，例如，砷的扩散系数较低，而磷和硼的扩散系数较高。
- 浓度梯度：扩散的动力来自于掺杂物浓度的差异，浓度差越大，扩散速度越快。
- 温度：温度是影响扩散过程的关键因素，扩散速度随着温度升高而增加。
- 基底材料及晶向：硅基晶片的晶向会影响扩散的速度，不同晶向的原子排列紧密程度不同，导致扩散行为有所差异。
2. N型半导体
N型半导体也被称为电子型半导体，“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。它是自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。N型半导体靠电子导电，在半导体材料中掺入微量磷、砷、锑等元素后，半导体材料中就会产生很多带负电的电子，使半导体中自由电子的浓度大大高于空穴浓度。 N型半导体中的电子是主要的载流子，而空穴浓度较低。
以掺杂磷为例，磷原子替代了原来硅原子的位置，磷原子最外层电子数为5，因此除与硅原子形成的4个共价键，还多出一个电子。该电子在常温下，由于热激发变成自由电子。而磷原子在其晶格上，缺少1个电子，变成不能移动的正离子。
在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，前者简称为多子，后者简称为少子。由于杂质原子提供电子，故称为施主原子。
3. P型半导体
P型半导体的“P”表示正电的意思，取自英文Positive的第一个字母。在P型半导体中，参与导电的主要电荷载体是带正电的空穴，这些空穴来自半导体中的受主。因此，凡掺有受主杂质或受主数量多于施主的半导体都是P型半导体。例如，含有适量三价元素硼、铟、镓等的锗或硅等半导体就是P型半导体。
以掺杂硼为例，硼原子替代了原来硅原子的位置，硼原子最外层电子数为3，因此除与硅原子形成的4个共价键，还多出一个空位。当硼原子最外层电子在填补该空位后便产生了空穴，硼原子在其晶格上，多得一个电子，变成不能移动的负离子。
在P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子浓度，故称空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，前者简称为多子，后者简称为少子。由于杂质原子接受电子，故称为受主原子。
4. 总结
目前常规N型半导体掺杂为5价元素，P型半导体掺杂为3价元素；N型半导体与P型半导体的多子与少字定义刚好相反。