半导体行业之半导体材料特性（四）

掺杂半导体

本征态的半导体材料在制作固态器件时是无用的，因为它没有自由移动的电子或者空穴，所以不能导电。然而，通过一个叫做掺杂的过程，将特定的元素被引入本征半导体材料，这时候，新产生的材料就有了可以导电的性质，也就是说，这些元素增加了本征半导体材料电导率。该掺杂材料表现出的两个独特之处是固态电子学的基础。这两个属性是:1。通过掺杂的多少、掺杂元素的种类等方面，可以精确控制材料的电阻率；2. 电子和空穴导电的能力。

掺杂半导体的电阻率

金属的电导率范围限制在10^ 4到10^6每欧姆-厘米。在上节对电阻的说明当中，我们湘西的讨论了限制材料电阻率的一些参数，这里就不再继续赘述了。在给定具有特定电阻率的特定金属之后，唯一改变给定体积内电阻值的方法就是是改变尺寸。在一个半导性材料之中，由于掺杂浓度这个新的调节方法出现了，通过这种方式可以改变材料的电阻率可以，也就相当于给出相对金属材料另一个设计电阻的自由度。半导体就是这样的材料。通过添加不同特性的掺杂剂原子，他们的电阻率可以扩展到10^-3到10^3 。

半导体材料通过元素掺杂到一个较宽的电阻范围的形式有两类，材料要么富含电子(n型)，要么富含空穴(p型)。下图显示了掺杂水平与硅电阻率的关系。x轴表示载流子浓度，因为电子或空穴物质被称为载流子。注意这里有两条曲线:n型和p型。那是因为移动电子和空穴所需的能量不同，所以必须氛围两种类型。如曲线所示，在硅中产生给定电阻率所需的n型掺杂剂浓度低于p型掺杂剂浓度。如何解释这种差异性呢？一种表达方式是，移动一个电子比移动一个电子消耗更少的能量移动一个空穴。

只需要0.000001%到0.1%的掺杂剂就能产生半导体材料进入一个有用的电阻率范围。半导体的这一特性意味着：我们可以利用半导体材料，创建出非常精确的电阻率区域。

电子和空穴导电

金属导体的另一个限制是它只能通过金属导体导电，本质上来说是通过电子的运动来实现导电。金属永远是n型的。但是，与金属材料不同的是：半导体可以通过掺杂特定的掺杂元素制成n型或p型。n和p型半导体可以通过电子或空穴来导电。在分析这些材料的传导机制之前，先考虑如何在半导体结构中创造出自由(或额外)电子或空穴更有现实中的指导意义。

为了理解n型半导体的情况，考虑一块硅(Si)掺杂极少量的砷(As)，如下图所示。假设偶数个的混合方式，每个砷原子被4个硅原子包围的情况。应用“元素周期表”一节的规则，原子通过在原子的外环上形成8个电子来形成一个相对稳定的原子状态，与相邻的硅原子共用四个电子。然而，砷是来自V列，这意味着它的外环有5个电子。最终结果是这四个电子与硅原子的电子配对，只剩下一个没有配对的电子，这一个电子就可用于导电。

那么，空穴是如何形成的？我们下节继续！

审核编辑：刘清