掺杂技术是通过向本征半导体中引入杂质原子来提升半导体材料导电性的,以下是具体的原理和方式:
本征半导体的导电性特点
本征半导体是纯净的半导体,在热力学温度为0K时,价带是满带,导带是空带,不导电。当温度升高或受光照等条件影响,价带中的电子获得能量跃迁到导带,形成自由电子,同时在价带中留下空穴,自由电子和空穴都能参与导电,但本征半导体中载流子浓度低,导电性差。
掺杂的原理及作用
- N型掺杂:向硅或锗等四价本征半导体中掺入五价杂质原子,如磷、砷等。杂质原子最外层有5个价电子,在与周围的硅或锗原子形成共价键时,会有一个多余的电子。这个电子很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子,使导带中的自由电子浓度大幅增加。在这种情况下,自由电子成为主要载流子,半导体的导电性主要靠电子的移动来实现,从而使半导体的导电性显著增强。
- P型掺杂:向四价本征半导体中掺入三价杂质原子,如硼、铝等。杂质原子最外层有3个价电子,在与硅或锗原子形成共价键时,会产生一个空穴。由于空穴的存在,相邻原子中的电子更容易来填补这个空穴,从而在原来的位置上形成新的空穴,相当于空穴在移动。这样就使得价带中的空穴浓度大大增加,空穴成为主要载流子,半导体的导电性主要依靠空穴的移动来实现,进而提升了半导体的导电性。
掺杂浓度的影响
在一定范围内,掺杂浓度越高,引入的杂质原子越多,产生的额外载流子(自由电子或空穴)就越多,半导体的导电性也就越强。但当掺杂浓度过高时,可能会引起杂质原子的聚集等问题,反而对半导体的性能产生不利影响。
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