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N型半导体的定义、掺杂及其能量图

1916 2022-05-12 来源: IC先生 作者: IC先生

半导体材料在其价层(外层)中包括四个电子,如Ge(锗)和Si(硅)。通过使用这些电子和半导体原子,可以与其相邻的原子形成键。类似地,一些材料在其价壳中包含五个电子,被称为五价材料,如砷或磷。所以这些材料主要用于制造N型半导体。

四电子杂质可以利用相邻的硅原子形成键,所以这留下一个自由电子,由此产生的材料包括许多自由电子。当电子是负极材料电荷载流子时,该材料称为N型半导体,下面简单来介绍下。

N型半导体

N型半导体的定义

N型半导体材料用于电子产品中,可以通过在半导体中加入Si和Ge等杂质形成,称为N型半导体。这里半导体中使用的施主杂质是砷、磷、铋、锑等。顾名思义,施主杂质给半导体提供自由电子。通过这种方式,可以形成更多的电荷载流子用于材料内的传导。

N型半导体示例是Sb、P、Bi和As,这些材料在其外壳中包含五个电子。四个电子将使用相邻的原子形成共价键,第五个电子将像载流子一样被访问,所以这个杂质原子被称为施主原子。

在这种半导体中,由于空穴和电子的运动,电流将在那里流动。因此,该半导体中的多数电荷载流子是电子,少数电荷载流子是空穴。

N型半导体掺杂

N型半导体掺杂有施主原子,因为大多数电荷载流子是负电子。由于硅是四价元素,因此正常晶体的结构包括来自4个外部电子的四个共价键。Si中最常用的掺杂剂是III族和V族元素。

N型半导体掺杂

这里的五价元素是V族元素,它们包括5个价电子,它们允许它们作为供体工作。这些元素如锑、磷或砷的数量提供自由电子,因此本征半导体电导率将大大提高。例如,一旦Si晶体掺杂了III族元素(如硼),就会形成P型半导体,但Si晶体掺杂有V族元素(如磷)的话,则会形成N型半导体。

传导电子的控制完全可以通过施主电子的数量来实现,因此,传导电子的总数相当于施主能级的数量(n≈ND)。当激发的施主能级平衡电子的传导,这样就可以保持半导体材料的电荷中性,一旦导电电子的数量增加,空穴的数量就会减少。

各个波段中的载流子浓度不平衡可以通过空穴和电子的数量来表示。在N型半导体中,电子是多数电荷载流子,而空穴是少数电荷载流子。

N型半导体能量图

N型半导体的能带图如下所示,由于添加了五价材料,自由电子存在于导带中。在晶体的共价键中不适合这些电子存在。但是,在导带内可以使用少量电子来形成电子-空穴对,半导体中的关键点是添加五价材料可以引起自由电子的数量。

N型半导体能量图

在室温下,热能传递到半导体,然后可以产生电子-空穴对。因此,可以使用少量的自由电子,这些电子将在价带内的空穴后离开。这里的'n'表示负极材料,也就是通过五价材料提供的自由电子数大于空穴数。

通过N半导体传导

N型半导体的传导可以由电子引起,当电子离开一个空穴时,空间就会被其他电子吸引。因此,空穴被认为是正极材料充电,所以这种半导体包括两种载流子,例如带电的空穴和带负电的电子。电子称为多数载流子,而空穴称为少数载流子,因为与空穴相比,电子的数量更多。

一旦共价键破坏并且电子从空穴中移开,那么其它一些电子就会脱离其键并被吸引到该孔中。因此,空穴和电子将反向传播。电子将被吸引到电池的正极端子,而空穴被吸引到电池的负极端子。

总结

概况起来就是,通过向半导体(如硅或锗)中添加杂质而设计的材料称为N型半导体,其中多数电荷载流子是电子,少数电荷载流子是空穴,主要作用是形成更多的电荷载流子用于材料内的传导。

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