半导体中的掺杂

纯硅或锗很少用作半导体。实际可用的半导体必须添加可控数量的杂质。添加杂质会改变导体能力，并充当半导体。向本征或纯材料中添加杂质的过程称为掺杂，杂质称为掺杂剂。掺杂后，本征材料变为非本征材料。实际上，只有掺杂后这些材料才可用。

当在不改变晶体结构的情况下将杂质添加到硅或锗中时，会产生 N 型材料。在某些原子中，电子在其价带中有五个电子，例如砷 (As) 和锑 (Sb)。用任何一种杂质掺杂硅都不能改变晶体结构或键合过程。杂质原子的额外电子不参与共价键合。这些电子被其起源原子松散地结合在一起。下图显示了添加杂质原子后硅晶体的变化。

掺杂对 N 型材料的影响

掺杂对 N 型材料的影响如下 −

• 在纯硅中添加砷后，晶体变为 N 型材料。

• 砷原子具有额外的电子或负电荷，不参与共价键合过程。

• 这些杂质放弃或捐赠一个电子给晶体，它们被称为施主杂质。

• N 型材料比本征电子具有额外或自由的电子材料。

• N 型材料不带负电荷。实际上，它的所有原子都是电中性的。

• 这些额外的电子不参与共价键合过程。它们可以在晶体结构中自由移动。

• N 型外在硅晶体只需施加 0.005eV 的能量即可进入导电状态。

• 仅需 0.7eV 的能量即可将本征晶体的电子从价带移动到导带。

通常，电子被认为是这种类型晶体中的多数电流载流子，而空穴是少数电流载流子。硅中添加的施主材料的数量决定了其结构中多数电流载流子的数量。

N型硅中的电子数量比本征硅的电子-空穴对多很多倍。在室温下，这种材料的电导率存在明显差异。有大量的电流载流子参与电流流动。在这种类型的材料中，电流的流动主要由电子实现。因此，外在材料成为良好的电导体。

掺杂对P型材料的影响

掺杂对P型材料的影响如下 −

• 当将铟 (In) 或镓 (Ga) 添加到纯硅中时，会形成 P 型材料。

• 这种掺杂材料有三个价电子。它们急切地寻找第四个电子。

• 在 P 型材料中，每个空穴都可以填充一个电子。要填充这个空穴区域，来自相邻共价键合基团的电子所需的能量非常少。

• 硅通常掺杂 1 到 106 范围内的掺杂材料。这意味着 P 材料的空穴将比纯硅的电子空穴对多得多。

• 在室温下，这种材料的电导率存在非常确定的特征差异。

下图显示了硅在掺杂受体元素（在本例中为铟）时晶体结构如何改变。 P 材料不带正电。其原子基本上都是电中性的。

然而，许多原子团的共价结构中都有空穴。当电子移入并填充空穴时，空穴变为空洞。在电子离开的键合基团中会产生一个新空穴。空穴运动实际上是电子运动的结果。P 型材料只需施加 0.05 eV 的能量即可导电。

上图显示了 P 型晶体连接到电压源时的反应。请注意，空穴的数量比电子多。施加电压后，电子被吸引到电池正极端子。

从某种意义上说，空穴向电池负极移动。此时会拾取电子。电子立即填充空穴。然后空穴变成空洞。与此同时，电池正极从材料中拉出一个电子。因此，由于电子在不同键合基团之间移动，空穴向负极移动。施加能量后，空穴流动是连续的。