固態(tài)器件理論（4）電子和“空穴”

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電子結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體雜質(zhì)

用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的元素

結(jié)論

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與金屬相比，純半導(dǎo)體是相對(duì)較好的絕緣體，盡管不如玻璃那樣真正的絕緣體。 為了在半導(dǎo)體應(yīng)用中有用，本征半導(dǎo)體（純無摻雜半導(dǎo)體）在100億個(gè)半導(dǎo)體原子中必須具有不超過一個(gè)雜質(zhì)原子。 這類似于糖的鐵路棚車中的一粒鹽雜質(zhì)。 不純或不干凈的半導(dǎo)體導(dǎo)電性要好得多，盡管不如金屬。 為什么會(huì)這樣呢？ 為了回答這個(gè)問題，我們必須在下圖中查看此類材料的電子結(jié)構(gòu)。

電子結(jié)構(gòu)

下圖（a）顯示半導(dǎo)體的價(jià)殼中的四個(gè)電子與其他四個(gè)原子形成共價(jià)鍵。 這是上圖的扁平化，易于繪制的版本。 原子的所有電子都束縛在四個(gè)共價(jià)鍵上，成對(duì)共享電子。 電子不能自由地在晶格周圍移動(dòng)。 因此，與金屬相比，本征，純凈的半導(dǎo)體是相對(duì)較好的絕緣體。

（a）本征半導(dǎo)體是具有完整電子殼的絕緣體。 （b）但是，熱能可以產(chǎn)生很少的電子-空穴對(duì)，從而導(dǎo)致較弱的傳導(dǎo)。

如上圖（b）所示，熱能有時(shí)可能會(huì)使電子從晶格中釋放出來。該電子自由地圍繞晶格傳導(dǎo)。當(dāng)電子被釋放時(shí)，它在被稱為空穴的晶格中留下帶正電荷的空位。這個(gè)孔沒有固定在晶格上。但是，可以隨意走動(dòng)。自由電子和空穴都有助于圍繞晶格的傳導(dǎo)。即，電子是自由的，直到它落入空穴。這稱為重組。如果將外部電場(chǎng)施加到半導(dǎo)體，則電子和空穴將沿相反的方向傳導(dǎo)。溫度升高將增加電子和空穴的數(shù)量，從而降低電阻。這與金屬相反，金屬通過增加電子與晶格的碰撞，電阻隨溫度而增加。本征半導(dǎo)體中的電子和空穴的數(shù)量相等。但是，在施加外場(chǎng)的情況下，兩個(gè)載體不一定以相同的速度運(yùn)動(dòng)。另一種說法是電子和空穴的遷移率不同。

半導(dǎo)體雜質(zhì)

單純的半導(dǎo)體本身并不是特別有用。但是，在添加特定雜質(zhì)之前，必須將半導(dǎo)體提煉至高純度作為起點(diǎn)。

純度為100億分之一的半導(dǎo)體材料，可能會(huì)添加特定雜質(zhì)，每1000萬分之1左右，以增加載流子的數(shù)量。向半導(dǎo)體中添加所需的雜質(zhì)被稱為摻雜。摻雜增加了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，因此與絕緣體相比，它與金屬更具有可比性。

通過摻雜像磷這樣的電子給體，可以增加半導(dǎo)體晶格內(nèi)負(fù)電荷載流子的數(shù)量。電子給體，也稱為N型摻雜劑，包括元素周期表VA組的元素：氮，磷，砷和銻。氮和磷是金剛石的N型摻雜劑。磷，砷和銻與硅一起使用。

下圖（b）中的晶格包含在外殼中具有四個(gè)電子的原子，與相鄰原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。這是預(yù)期的晶格。與硅原子相比，在外殼中添加具有五個(gè)電子的磷原子會(huì)將額外的電子引入晶格。五價(jià)雜質(zhì)與五個(gè)電子中的四個(gè)形成四個(gè)硅原子上的四個(gè)共價(jià)鍵，并與一個(gè)電子相交而進(jìn)入晶格。注意，該備用電子沒有像普通Si原子的電子那樣牢固地鍵合到晶格上。它可以自由地繞晶格移動(dòng)，而不受磷晶格位置的約束。由于我們?cè)?000萬個(gè)硅原子中摻雜了一部分磷，因此與眾多硅原子相比，生成的自由電子很少。但是，與本征硅中較少的電子-空穴對(duì)相比，產(chǎn)生了許多電子。施加外部電場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)帶（價(jià)帶以上）中在摻雜半導(dǎo)體中產(chǎn)生強(qiáng)導(dǎo)通。較高的摻雜水平會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的導(dǎo)電性。因此，導(dǎo)電性差的本征半導(dǎo)體已轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫碾妼?dǎo)體。

（a）供體N型磷，硅（供參考）和受體P型硼的外殼電子構(gòu)型。 （b）N型施主雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子（c）P型受主雜質(zhì)產(chǎn)生空穴，即正電荷載流子。

與硅相比，還可以引入缺少電子的雜質(zhì)，在價(jià)殼中具有三個(gè)電子，而硅具有四個(gè)電子。在上圖（c）中，這留下了一個(gè)空洞，稱為空穴，即正電荷載體。硼原子試圖與四個(gè)硅原子鍵合，但在價(jià)帶中只有三個(gè)電子。在試圖形成四個(gè)共價(jià)鍵時(shí)，三個(gè)電子四處移動(dòng)以試圖形成四個(gè)鍵。這會(huì)使空穴看起來移動(dòng)。此外，三價(jià)原子可以從相鄰的（或更遠(yuǎn)的）硅原子借用電子以形成四個(gè)共價(jià)鍵。然而，這留下了一個(gè)電子不足的硅原子。換句話說，空穴已經(jīng)移動(dòng)到相鄰的（或更遠(yuǎn)的）硅原子。空穴位于價(jià)帶中，在導(dǎo)帶以下。摻雜電子受體（可以接受電子的原子）會(huì)產(chǎn)生電子缺陷，這與空穴過多相同。由于空穴是正電荷載流子，因此電子受體摻雜劑也稱為P型摻雜劑。 P型摻雜劑會(huì)給半導(dǎo)體留下過多的空穴，即正電荷載流子。元素周期表第IIIA族的P型元素包括硼，鋁，鎵和銦。硼用作硅和金剛石半導(dǎo)體的P型摻雜劑，而銦與鍺一起使用。

下圖中類似于電子傳導(dǎo)的“管中的大理石”將空穴的運(yùn)動(dòng)與電子的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。大理石代表導(dǎo)體（管）中的電子。電子在導(dǎo)線或N型半導(dǎo)體中從左向右移動(dòng)的原因是，電子從左側(cè)進(jìn)入電子管，迫使右側(cè)電子離開。 N型電子的傳導(dǎo)發(fā)生在導(dǎo)帶中。將其與價(jià)帶中空穴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較。

試管中的大理石類似于：（a）當(dāng)電子進(jìn)入試管時(shí)，電子在導(dǎo)帶中向右移動(dòng)。 （b）隨著電子向左移動(dòng)，空穴在價(jià)帶中向右移動(dòng)。

為了使空穴進(jìn)入圖（b）左側(cè)，必須除去電子。從左向右移動(dòng)空穴時(shí)，電子必須從右向左移動(dòng)。第一電子從管子的左端射出，因此空穴可以向右移入管子。電子沿正空穴的相反方向移動(dòng)。隨著空穴向右移動(dòng)，電子必須向左移動(dòng)以容納空穴。由于P型摻雜，在價(jià)帶中不存在電子的空穴。它具有局部正電荷。為了沿給定方向移動(dòng)空穴，價(jià)電子沿相反方向移動(dòng)。

N型半導(dǎo)體中的電子流動(dòng)類似于在金屬絲中移動(dòng)的電子。 N型摻雜原子將產(chǎn)生可用于傳導(dǎo)的電子。這些電子由于摻雜劑而被稱為多數(shù)載流子，因?yàn)榕c很少的熱空穴相比，它們占多數(shù)。如果在下圖（a）中的N型半導(dǎo)體條上施加電場(chǎng)，則電子將進(jìn)入條的負(fù)（左）端，橫穿晶格，并在右邊向（+）電池端子出射。

（a）一種n型半導(dǎo)體，其中的電子通過晶格左右移動(dòng)。 （b）具有左向右移動(dòng)的空穴的p型半導(dǎo)體，它對(duì)應(yīng)于沿相反方向移動(dòng)的電子。

P型半導(dǎo)體中的電流很難解釋。 P型摻雜劑（一種電子受體）會(huì)產(chǎn)生帶正電荷的局部區(qū)域，稱為空穴。 P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是空穴。盡管空穴在三價(jià)摻雜原子位置形成，但它們可能會(huì)在半導(dǎo)體棒周圍移動(dòng)。請(qǐng)注意，上圖（b）中的電池是與（a）相反的電池。電池正極端子連接到P型條的左端。電子流通過P型條從電池負(fù)極端子流出，返回到電池正極端子。離開半導(dǎo)體棒正極（正極）到電池正極端子的電子會(huì)在半導(dǎo)體中留下一個(gè)孔，該孔可能會(huì)向右移動(dòng)。孔從左到右穿過晶格。在條的負(fù)端，來自電池的電子與一個(gè)孔結(jié)合，將其中和。這為在桿的正端向右移動(dòng)的另一個(gè)孔留出了空間。請(qǐng)記住，當(dāng)空穴從左向右移動(dòng)時(shí)，實(shí)際上是電子朝相反的方向運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致了明顯的空穴運(yùn)動(dòng)。

用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的元素

下圖總結(jié)了用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的元素。如今，最有限的IVA大塊半導(dǎo)體材料鍺僅在有限的范圍內(nèi)使用。硅基半導(dǎo)體約占所有半導(dǎo)體商業(yè)化生產(chǎn)的90％。金剛石基半導(dǎo)體是目前具有巨大潛力的研發(fā)活動(dòng)。未列出的化合物半導(dǎo)體包括硅鍺（硅晶片上的薄層），碳化硅和III-V化合物，例如砷化鎵。 III-VI族化合物半導(dǎo)體包括AlN，GaN，InN，AlP，AlAs，AlSb，GaP，GaAs，GaSb，InP，InAs，InSb，AlxGa1-xAs和InxGa1-xAs。周期表的第II列和第VI列（圖中未顯示）也形成化合物半導(dǎo)體。

IIIA族P型摻雜劑，IV族基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和VA N型摻雜劑。

上圖中包含IIIA和VA組的主要原因是為了顯示與IVA組半導(dǎo)體一起使用的摻雜劑。 IIIA族元素是受體（P型摻雜劑），它們接受在晶格中留有空穴的電子，即正載流子。 硼是金剛石的P型摻雜劑，也是硅半導(dǎo)體最常見的摻雜劑。 銦是鍺的P型摻雜劑。

VA族元素是供體，N型摻雜劑，產(chǎn)生自由電子。 氮和磷是適用于金剛石的N型摻雜劑。 磷和砷是硅中最常用的N型摻雜劑。 但是，可以使用銻。

結(jié)論

本征半導(dǎo)體材料，純度至100億分之一。

N型半導(dǎo)體摻雜有五價(jià)雜質(zhì)以產(chǎn)生自由電子。 這種材料是導(dǎo)電的。 電子是多數(shù)載流子。

摻雜有三價(jià)雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體具有大量的空洞。 這些是正電荷載體。 P型材料是導(dǎo)電的。 孔是多數(shù)載體。

大多數(shù)半導(dǎo)體基于元素周期表中IVA組的元素，硅是最普遍的元素。 鍺幾乎已經(jīng)過時(shí)了。 碳（金剛石）正在開發(fā)中。

諸如碳化硅（IVA族）和砷化鎵（III-V族）的化合物半導(dǎo)體被廣泛使用。

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