杂质半导体

本征半导体的电阻率比较大，载流子浓度又小，且对温度变化敏感，因此它的用途很有限。在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的变化。利用这一特性，可以制成各种性能不同的半导体器件，这样使得它的用途大大增加。掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可分为两种:

电子型半导体和空穴型半导体。载流子以电子为主的半导体叫电子型半导体，因为电子带负电，取英文单词“负”(Negative)的第一个字母“N”，所以电子型半导体又称为N型半导体。载流子以空穴为主的半导体叫空穴型半导体。取英文单词“正”(Positive)的第一个字母“P”,空穴型半导体又称为P型半导体。下面以硅材料为例进行讨论。

1、N型半导体

在本征半导体中掺入正五价元素(如磷、砷)使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。掺入的元素原子有5个价电子，其中4个与硅原子结合成共价键，余下的一个不在共价键之内，掺入的五价元素原子对它的束缚力很小。因此在由本征激发产生的电子空穴对，它们是少数载流子。这种杂质半导体以自由电子导电为主，因而称为电子型半导体，或N型半导体。在N型半导体中，由于自由电子是多数，故N型半导体中的自由电子称为多数载流子(简称多子)，而空穴称为少数载流子(简称少子)。

2、P型半导体

当本征半导体中掺入正三价杂质元素(如硼、镓)时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为P型半导体，也称为空穴半导体。除了多数载流子空穴外，还存在由本征激发产生的电子空穴对，可形成少数载流子自由电子。由于所掺入的杂质元素原子易于接受相邻的半导体原子的价电子成为负离子，故称为“受主杂质”。在P型半导体中，由于空穴是多数，故P型半导体中的空穴称为多数载流子(简称多子)，而自由电子称为少数载流子(简称少子)P型半导体和N型半导体均属非本征半导体。其中多数载流子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度;少数载流子的浓度主要取决于温度;而所产生的离子，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。

1.1.4PN结

如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体则在二者的交界处将形成一个PN结。

1、PN结的形成

在P型和N型半导体的交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊，所以N区中的多数载流子自由电子要向P区扩散，同时P区中的多数载流空穴也要向N区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。如图1-5所示。于是，在交界面两侧将分别形成不能移动的正、负离子区，正、负离子处于晶格位置而不能移动，所以称为空间电荷区(亦称为内电场)。由于空间电荷区内的载流子数量极少，近似分析时可忽略不计，所以也称其为耗尽层。空间电荷区一侧带正电，另一侧带负电，所以形成了内电场Ein，其方向由N区指向P区。在内电场Ein的作用下,P区和N区中的少子会向对方漂移，同时内电场将阻止多子向对方扩散，当扩散运动的多子数量与漂移运动的少子数量相等，两种运动达到动态平衡的时候，空间电荷区的宽度一定，PN结就形成了。一般，空间电荷区的宽度很薄，约为几微米~几十微米;由于空间电荷区内几乎没有流子，其电阻率很高。