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。只掺入一撮杂质原子，亲手选择让自由电子还是空穴成为多数。

挑选杂质，定下多数载流子

下面是硅晶格，每个原子与每个邻居各以两个电子成键。把中央一个原子换成另一种原子，会放出哪种自由载流子？哪一种让自由电子成为多数？

点击切换中央原子。

多数载流子关系

n0 = p0 = ni

所有电子都被束缚在键中。只剩热打断的少数对，电子与空穴等量且稀少。

势均力敌的平衡

硅原子有四个价电子，与四个邻居各配两个电子填满成键。所以在室温下几乎没有自由电子。要产生电流就得打断键，这正与 A1 中越过带隙是同一回事。

掺入像磷或砷这种价电子为五的原子：四个用于成键，一个剩余。这个多余电子几乎不被束缚，稍一加温就自由了。让出电子的杂质原子成为固定正离子，但晶体仍保持中性。这就是 n 型。

掺入像硼这种价电子为三的原子，便空出一个成键席位。邻键的电子来填补，空位便横向跳移，看起来就像正电荷在移动。这就是 p 型。增多一种载流子，另一种就减少，于是两者浓度之积 n p = ni² 在同一温度下与掺杂无关、保持恒定。

观察n0 p0 = ni²

掺杂不改变两种载流子浓度之积。

选择n0 ≈ ? (n)

n 型的多数载流子由施主浓度决定。

填空p0 ≈ ni² / ?

少数载流子是乘积除以多数。

自己来p0 ≈ ? (p)

p 型由受主浓度决定空穴多数。

把自由电子变成多数的，是五价施主，也就是 n 型。如镜像一般，三价受主让空穴成为多数、得到 p 型，而纯硅则让两者等量稀少、维持平衡。无论哪种，你只加了一撮杂质，多数载流子却整体翻转。而自始至终，固定离子恰好抵偿了离去的电荷，晶体保持中性。决定多数载流子的把手，就是杂质价电子数这一个量。

掺杂是把价电子数不同的少量杂质混入纯半导体。五价施主让自由电子成为多数，得到 n 型（n0 ≈ ND）；三价受主让空穴成为多数，得到 p 型（p0 ≈ NA）。温度一定时，质量作用定律 n0 p0 = ni² 使两浓度之积恒定。晶体保持电中性。

现在你手握两种载流子。下一单元 A3 将展示它们移动的两种方式：电场推动的漂移，与浓度差扩散的扩散。这两者在 n 型与 p 型边界相遇之处，正是 A4 的 pn 结耗尽层。