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雜質半導體

本征半導體的電阻率比較大，載流子濃度又小，且對溫度變化敏感，因此它的用途很有限。在本征半導體中，人為地摻入少量其他元素(稱雜質)，可以使半導體的導電性能發生顯著的變化。利用這一特性，可以制成各種性能不同的半導體器件，這樣使得它的用途大大增加。摻入雜質的本征半導體叫雜質半導體。根據摻入雜質性質的不同，可分為兩種:

電子型半導體和空穴型半導體。載流子以電子為主的半導體叫電子型半導體，因為電子帶負電，取英文單詞“負”(Negative)的第一個字母“N”，所以電子型半導體又稱為N型半導體。載流子以空穴為主的半導體叫空穴型半導體。取英文單詞“正”(Positive)的第一個字母“P”,空穴型半導體又稱為P型半導體。下面以硅材料為例進行討論。

1、N型半導體

在本征半導體中摻入正五價元素(如磷、砷)使每一個五價元素取代一個四價元素在晶體中的位置，可以形成N型半導體。摻入的元素原子有5個價電子，其中4個與硅原子結合成共價鍵，余下的一個不在共價鍵之內，摻入的五價元素原子對它的束縛力很小。因此在由本征激發產生的電子空穴對，它們是少數載流子。這種雜質半導體以自由電子導電為主，因而稱為電子型半導體，或N型半導體。在N型半導體中，由于自由電子是多數，故N型半導體中的自由電子稱為多數載流子(簡稱多子)，而空穴稱為少數載流子(簡稱少子)。

2、P型半導體

當本征半導體中摻入正三價雜質元素(如硼、鎵)時，三價元素原子為形成四對共價鍵使結構穩定，常吸引附近半導體原子的價電子，從而產生一個空穴和一個負離子，故這種雜質半導體的多數載流子是空穴，因為空穴帶正電，所以稱為P型半導體，也稱為空穴半導體。除了多數載流子空穴外，還存在由本征激發產生的電子空穴對，可形成少數載流子自由電子。由于所摻入的雜質元素原子易于接受相鄰的半導體原子的價電子成為負離子，故稱為“受主雜質”。在P型半導體中，由于空穴是多數，故P型半導體中的空穴稱為多數載流子(簡稱多子)，而自由電子稱為少數載流子(簡稱少子)P型半導體和N型半導體均屬非本征半導體。其中多數載流子的濃度取決于摻入的雜質元素原子的密度;少數載流子的濃度主要取決于溫度;而所產生的離子，不能在外電場作用下作漂移運動，不參與導電，不屬于載流子。

1.1.4PN結

如果將一塊半導體的一側摻雜成為P型半導體，而另一側摻雜成為N型半導體則在二者的交界處將形成一個PN結。

1、PN結的形成

在P型和N型半導體的交界面兩側，由于自由電子和空穴的濃度相差懸殊，所以N區中的多數載流子自由電子要向P區擴散，同時P區中的多數載流空穴也要向N區擴散，并且當電子和空穴相遇時，將發生復合而消失。如圖1-5所示。于是，在交界面兩側將分別形成不能移動的正、負離子區，正、負離子處于晶格位置而不能移動，所以稱為空間電荷區(亦稱為內電場)。由于空間電荷區內的載流子數量極少，近似分析時可忽略不計，所以也稱其為耗盡層。空間電荷區一側帶正電，另一側帶負電，所以形成了內電場Ein，其方向由N區指向P區。在內電場Ein的作用下,P區和N區中的少子會向對方漂移，同時內電場將阻止多子向對方擴散，當擴散運動的多子數量與漂移運動的少子數量相等，兩種運動達到動態平衡的時候，空間電荷區的寬度一定，PN結就形成了。一般，空間電荷區的寬度很薄，約為幾微米~幾十微米;由于空間電荷區內幾乎沒有流子，其電阻率很高。