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Intrinsic vs extrinsic semiconductor

半導(dǎo)體物質(zhì)的特性介于絕緣體和導(dǎo)體之間。硅（Si）和鍺（Ge）是半導(dǎo)體的典型代表。

半導(dǎo)體分為兩種類型：本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體（包括 p 型和 n 型）。本征半導(dǎo)體是純凈的，而摻雜半導(dǎo)體則通過引入雜質(zhì)來提高其導(dǎo)電性。在室溫下，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性為零，而摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性則較低。

本文通過介紹摻雜和能帶圖，概述了本征和摻雜半導(dǎo)體的特性。

本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體是指極其純凈的半導(dǎo)體。根據(jù)能帶理論，在室溫下，這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電性為零。硅（Si）和鍺（Ge）是本征半導(dǎo)體的兩個(gè)例子。

在T=0K時(shí)，不會(huì)發(fā)生導(dǎo)電

在上面的能帶圖中，導(dǎo)帶是空的，而價(jià)帶是完全填滿的。當(dāng)溫度升高時(shí)，可以向其提供一些熱能。結(jié)果，價(jià)帶中的電子離開價(jià)帶，進(jìn)入導(dǎo)帶。

當(dāng)T 增加時(shí)，原子振動(dòng)可能會(huì)破壞Si-Si鍵并產(chǎn)生自由電子，同時(shí)它會(huì)產(chǎn)生空穴，n=p=ni.

電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶時(shí)，其運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的。晶體中的空穴也可以在任何方向上自由流動(dòng)。因此，這種半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)（TCR）為負(fù)值。TCR 表明，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的電阻降低，其導(dǎo)電性增加。

摻雜半導(dǎo)體

摻雜半導(dǎo)體是指通過 doping 引入雜質(zhì)而使其具有導(dǎo)電性的半導(dǎo)體。

雖然可以通過摻雜使絕緣材料變成半導(dǎo)體，但也可以通過摻雜本征半導(dǎo)體來制造摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體分為兩類：具有額外電子的原子（n 型，來自第 V 族）和缺少一個(gè)電子的原子（p 型，來自第 III 族）。摻雜是有意將雜質(zhì)引入非常純凈的（本征）半導(dǎo)體中，以改變其電學(xué)特性。摻雜半導(dǎo)體的類型決定了雜質(zhì)的種類。

什么是摻雜？

摻雜是將雜質(zhì)引入半導(dǎo)體的過程。在制造摻雜半導(dǎo)體時(shí)，必須仔細(xì)監(jiān)控要引入材料中的雜質(zhì)的數(shù)量和種類。在大多數(shù)情況下，每 10? 個(gè)半導(dǎo)體原子中會(huì)引入一個(gè)雜質(zhì)原子。

雜質(zhì)用于增加半導(dǎo)體晶體中的自由電子或空穴的數(shù)量，使其更具導(dǎo)電性。如果向純凈的半導(dǎo)體中引入具有五個(gè)價(jià)電子的五價(jià)雜質(zhì)，將存在大量的自由電子。如果向半導(dǎo)體中引入具有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)雜質(zhì)，則會(huì)存在大量的空穴。根據(jù)添加的雜質(zhì)類型，摻雜半導(dǎo)體分為兩類：n 型和 p 型半導(dǎo)體。

n 型半導(dǎo)體

n 型半導(dǎo)體是摻雜半導(dǎo)體，其中摻雜原子（第五族）可以向宿主材料提供額外的傳導(dǎo)電子（例如，硅中的磷）。

N-type中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，n型材料整體呈電荷中性

這導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的負(fù)（n 型）電子電荷載流子。摻雜原子通常比宿主原子多一個(gè)價(jià)電子。第 IV 族固體中的第 V 族元素替換是最常見的情況。當(dāng)宿主包含多種類型的原子時(shí)，問題變得更加復(fù)雜。例如，在 III-V 族半導(dǎo)體（如砷化鎵）中，硅可以替換鎵作為施主，也可以替換砷作為受主。

p 型半導(dǎo)體

為了增加自由電荷載流子的數(shù)量，通過向半導(dǎo)體中添加某種類型的原子來形成 p 型（p 代表“正”）半導(dǎo)體。

P-type中，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子，p型材料整體呈電荷中性

當(dāng)引入摻雜物質(zhì)時(shí)，它會(huì)從半導(dǎo)體原子中移除（接受）弱鍵合的外層電子。電子留下的空位稱為空穴，這種摻雜劑也被稱為受主物質(zhì)。p 型摻雜的目的是產(chǎn)生大量的空穴。

以硅為例

晶體晶格被三價(jià)原子替換。結(jié)果，通常構(gòu)成硅晶格的四個(gè)共價(jià)鍵中有一個(gè)缺少電子。因此，摻雜原子可以從附近原子的共價(jià)鍵中接受一個(gè)電子，以完成第四個(gè)鍵。由于這種原因，這些摻雜劑被稱為受主。

當(dāng)摻雜原子接受一個(gè)電子時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致附近原子失去一半的鍵，從而產(chǎn)生一個(gè)空穴。每個(gè)空穴都與一個(gè)相鄰的負(fù)電荷摻雜離子相關(guān)聯(lián)，從而形成電中性的半導(dǎo)體。當(dāng)每個(gè)空穴在晶格中漂移時(shí)，位于空穴位置的原子中的一個(gè)質(zhì)子將被“exposed”，這意味著它將不再被電子抵消。這個(gè)原子在其核中將有三個(gè)電子和一個(gè)空穴，其中將有四個(gè)質(zhì)子。

因此，空穴表現(xiàn)得像正電荷。當(dāng)提供足夠數(shù)量的受主原子時(shí)，熱激發(fā)電子的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于空穴。在 p 型材料中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。

兩者區(qū)別

以下是本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體之間的一些主要區(qū)別：

*本征半導(dǎo)體始終處于最純凈的形式，而摻雜半導(dǎo)體是通過在純凈半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)制造出來的。

*在室溫下，本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率較低，而摻雜半導(dǎo)體與其他材料相比具有較高的電導(dǎo)率。

*在本征半導(dǎo)體中，電子的數(shù)量等于空穴的數(shù)量，而在摻雜半導(dǎo)體中，數(shù)量不相等。

*本征半導(dǎo)體僅依賴于溫度，而摻雜半導(dǎo)體受溫度和雜質(zhì)數(shù)量的影響。

*本征半導(dǎo)體不再進(jìn)一步分類，而 n 型和 p 型半導(dǎo)體是摻雜半導(dǎo)體的兩種類型。