摻雜半導體

本征態的半導體材料在制作固態器件時是無用的，因為它沒有自由移動的電子或者空穴，所以不能導電。然而，通過一個叫做摻雜的過程，將特定的元素被引入本征半導體材料，這時候，新產生的材料就有了可以導電的性質，也就是說，這些元素增加了本征半導體材料電導率。該摻雜材料表現出的兩個獨特之處是固態電子學的基礎。這兩個屬性是:1。通過摻雜的多少、摻雜元素的種類等方面，可以精確控制材料的電阻率；2.電子和空穴導電的能力。

摻雜半導體的電阻率

金屬的電導率范圍限制在10^ 4到10^6每歐姆-厘米。在上節對電阻的說明當中，我們湘西的討論了限制材料電阻率的一些參數，這里就不再繼續贅述了。在給定具有特定電阻率的特定金屬之后，唯一改變給定體積內電阻值的方法就是是改變尺寸。在一個半導性材料之中，由于摻雜濃度這個新的調節方法出現了，通過這種方式可以改變材料的電阻率可以，也就相當于給出相對金屬材料另一個設計電阻的自由度。半導體就是這樣的材料。通過添加不同特性的摻雜劑原子，他們的電阻率可以擴展到10^-3到10^3。半導體材料通過元素摻雜到一個較寬的電阻范圍的形式有兩類，材料要么富含電子(n型)，要么富含空穴(p型)。下圖顯示了摻雜水平與硅電阻率的關系。x軸表示載流子濃度，因為電子或空穴物質被稱為載流子。注意這里有兩條曲線:n型和p型。那是因為移動電子和空穴所需的能量不同，所以必須氛圍兩種類型。如曲線所示，在硅中產生給定電阻率所需的n型摻雜劑濃度低于p型摻雜劑濃度。如何解釋這種差異性呢？一種表達方式是，移動一個電子比移動一個電子消耗更少的能量移動一個空穴。

只需要0.000001%到0.1%的摻雜劑就能產生半導體材料進入一個有用的電阻率范圍。半導體的這一特性意味著：我們可以利用半導體材料，創建出非常精確的電阻率區域。

電子和空穴導電

金屬導體的另一個限制是它只能通過金屬導體導電，本質上來說是通過電子的運動來實現導電。金屬永遠是n型的。但是，與金屬材料不同的是：半導體可以通過摻雜特定的摻雜元素制成n型或p型。n和p型半導體可以通過電子或空穴來導電。在分析這些材料的傳導機制之前，先考慮如何在半導體結構中創造出自由(或額外)電子或空穴更有現實中的指導意義。

為了理解n型半導體的情況，考慮一塊硅(Si)摻雜極少量的砷(As)，如下圖所示。假設偶數個的混合方式，每個砷原子被4個硅原子包圍的情況。應用“元素周期表”一節的規則，原子通過在原子的外環上形成8個電子來形成一個相對穩定的原子狀態，與相鄰的硅原子共用四個電子。然而，砷是來自V列，這意味著它的外環有5個電子。最終結果是這四個電子與硅原子的電子配對，只剩下一個沒有配對的電子，這一個電子就可用于導電。

那么，空穴是如何形成的？我們下節繼續！