pn结二极管由p型和n型两种半导体材料的两个相邻部分组成,这些材料是半导体,例如si(硅)或 ge(锗),包括原子杂质。这里的半导体类型可以由杂质种类决定,而向半导体材料中添加杂质的过程称为掺杂。
含有杂质的半导体称为掺杂半导体,主要包括p型半导体和n型半导体,本文简单介绍下p型半导体的掺杂及其能量图。
p型半导体的定义
一旦将三价材料赋予纯半导体(si/ge),就称为p型半导体。在这里,三价材料是硼、铟、镓、铝等。最常见的是,半导体由硅材料制成,因为它的价壳中包含4个电子。为了制造p型半导体,可以在其中添加额外的材料,例如铝或硼。这些材料的价外壳层中仅包含三个电子。
这些p型半导体是通过掺杂半导体材料制成的。与半导体的量相比,它们添加了少量的杂质。通过改变添加的掺杂量,半导体的精确特性将改变。在这种类型的半导体中,与电子相比,空穴的数量更多。硼/镓等三价杂质常用于si类掺杂杂质。所以p型半导体的例子是镓或硼。
掺杂
在p型半导体中加入杂质以改变其性质的过程称为p型半导体掺杂。通常,用于掺杂三价和五价元素的材料是si和ge。因此,这种半导体可以通过使用三价杂质掺杂本征半导体来形成。这里的“p”表示正极材料,表示半导体中的空穴很高。
p型半导体形成
si半导体是四价元素,晶体的共同结构包括来自4个外层电子的4个共价键。在si中,iii族和v族元素是最常见的掺杂剂。iii族元素包括3个外部电子,当用于掺杂si时,它们的作用类似于受体。
一旦受体原子改变晶体内的四价硅原子,就可以产生电子空穴。它是一种电荷载体,负责在半导体材料中产生电流。
这种半导体中的电荷载流子带正电,并在半导体材料中从一个原子移动到另一个原子。添加到本征半导体中的三价元素将在结构内产生正电子空穴。例如,掺杂有iii族元素(如硼)的a-si晶体将产生p型半导体,但掺杂有v族元素(如磷)的晶体将产生n型半导体。整个空穴数可以等于整个供体部位数 (p ≈ na)。p型半导体的多数电荷载流子是空穴,而少数电荷载流子是电子。
p型半导体能量图
p型半导体能带图如下所示,通过添加三价杂质,共价键中空穴的数量可以在晶体中形成,在导带内也可以访问较少量的电子。
一旦将室温下的热能传递给ge晶体以形成电子-空穴对,就会产生能量。然而,由于与电子相比大多数空穴,电荷载流子高于导带内的电子。因此,这种材料被称为p型半导体,其中p表示正极材料。
通过p型半导体传导
在p型半导体中,大量的空穴是由三价杂质产生的。当在这种类型的半导体上施加电位差时,如下图所示:
价带中的空穴指向负极端子,由于流过晶体的电流是通过空穴来流动的,空穴是正电荷的载体,因此,这种类型的导电性被称为正或p型导电性。在p型导电性中,价电子从一个共价移动到另一个共价。
n型半导体的电导率几乎是p型半导体的两倍。在n型半导体的导带中可用的电子比在p型半导体的价带中可用的空穴更容易移动。
空穴的流动性很差,这是因为它们更多地与原子核结合。
即使在室温下,也会形成电子-空穴对。这些微量可用的自由电子在p型半导体中也携带少量电流。
总结
p型非本征半导体是在纯半导体中添加少量三价杂质而形成的,结果会在其中产生大量空穴。通过添加镓和铟等三价杂质,在半导体材料中提供了大量的空穴。
这种产生p型半导体的杂质被称为受主杂质,因为它们中的每个原子都会产生一个可以接受一个电子的空穴,而空穴是主要的电荷载体。
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