A2 · 半导体基础
掺杂：一撮杂质决定多数载流子
纯硅几乎不导电。这一单元掺入极少量的杂质原子，由你自己来选择让自由电子还是空穴成为多数。
杂质决定多数载流子
图中是硅晶格，每个原子都与相邻原子各出一个电子、两两配对成键。把中央的原子换成别的元素，被释放的载流子就在晶格之间流动：金色圆点是自由电子，蓝色空心圆是空穴。换着中央原子试一试，找出哪一种让自由电子成为多数。
用按钮更换中央原子。
多数载流子关系
n0 = p0 = ni
所有电子都束缚在共价键里。只有少数被热打断的键分成电子和空穴，两者数量相等且都很少。
势均力敌的平衡
纯硅近乎绝缘体
硅原子有四个价电子，与四个相邻原子两两配对，把共价键全部填满。所以在室温下几乎没有能自由移动的电子。要形成电流就必须打断共价键，这和越过 A1 中见到的带隙是一回事。
一个五价原子 = 一个自由电子
掺入磷或砷这类有五个价电子的原子，其中四个用于成键，余下一个。这个多余的电子与原子的束缚非常弱，仅靠室温的热就能被释放。交出电子的杂质原子成为固定在原位的正离子，但与被释放的电子合起来，整个晶体仍是电中性的。这就是 n 型。
一个三价原子 = 一个空穴，且乘积守恒
掺入硼这类有三个价电子的原子，就会空出一个成键位置。相邻键上的电子跑过来填补这个空位，空位就向旁边移动，看起来就像一个正电荷在移动。这就是 p 型。一种载流子增加，另一种就相应减少，两种载流子浓度之积 n p = ni² 在温度相同时与掺杂无关，保持不变。
观察n0 p0 = ni²
掺杂不改变两种浓度之积。
选择n0 ≈ ? (n)
n 型的多数载流子浓度由施主浓度决定。
填空p0 ≈ ni² / ?
少数载流子浓度等于积除以多数载流子浓度。
自己来p0 ≈ ? (p)
p 型中，受主浓度决定空穴浓度。
回到第一屏
让自由电子成为多数的是 5 价施主，也就是 n 型。像镜子一样，3 价受主让空穴成为多数，形成 p 型；纯硅则保持平衡，电子和空穴数量相等且很少。不论哪种，加进去的只是极少量杂质，多数载流子却整个翻转了。尽管如此，固定在原位的离子恰好补上了离开的载流子所带的电荷，晶体始终保持电中性。选择多数载流子的旋钮，只是杂质的价电子数这一个数。
掺杂是在纯半导体中掺入极少量价电子数不同的杂质。5 价施主使自由电子成为多数，形成 n 型(n0 ≈ ND)；3 价受主使空穴成为多数，形成 p 型(p0 ≈ NA)。温度确定后，由质量作用定律 n0 p0 = ni²，两种浓度之积保持不变，晶体保持电中性。
接下来的脉络
现在你手里有了两种载流子。下一单元 A3 将看这些载流子运动的两种方式：被电场推动的漂移，以及由浓度差引起的扩散。两者在 n 型与 p 型交界处相遇的地方，正是 A4 中 pn 结的耗尽层。