第三章 P型半导体和N型半导体接触
p型,n型半导体
p型和n型半导体的区别：P 型半导体也称为空穴型半导体。
N型半导体也称为电子型半导体。
1、由于纯净的半导体导电性较差，不能直接用来制造晶体管。
于是，人们在纯净的半导体中掺入微量杂质元素，使半导体的导电性能大大增强，这种半导体称为杂质半导体。
根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可分为，P型半导体（或空穴型半导体）和N型半导体（或电子型半导体）两大类。
这里"P”是指”正”的意思，“N“是指”负”的意思。
2、当PN结加上正向电压时有较大的电流通过，正向电阻很小，PN 结处于导通状态；当PN结加上反向电压时只有很小的电流通过，或者粗略地认为没有电流通过，反向电阻很大，PN结处于截止状态。
这就是PN结的重要特性-一单向导电性。
从这里可以看出，PN结具有单向导电性的关键是它的阻挡层的存在，及其随外加电压而变化。
3、高纯的单晶硅是重要的半导体材料。
在单晶硅中掺入微量的第IIIA 族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型半导体。
p型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。
在开发能源方面是一种很有前途的材料。
P型半导体与N型半导体
例2
本征半导体是一种有趣的材料，只要在掺入少量、定量的特定掺杂质原子后，就显示半导体的真正能力，能明显地改变半导体的电化学特性。掺入杂质的半导体称为非本征半导体。半导体中的杂质可以分为施主杂质和受主杂质，也可分为浅能级杂质和深能级杂质。
*
理论分析认为
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。
情况一
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情况二
当NA»ND时，施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上后，受主能级还有(NA-ND)个空穴，它们可以跃迁到价带成为导电空穴，所以，p=NA-ND ≈NA，半导体是P型的
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有效杂质浓度
经过补偿之则（ND-NA）为有效施主浓度； 当NA >ND时，则（NA-ND）为有效受主浓度。
间隙式杂质
替位式杂质
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两种杂质的特点
间隙式杂质 原子半径一般比较小，如锂离子（Li+）的半径为0.68 Å，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。 替位式杂质 原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是Ⅳ族元素，与Ⅲ、Ⅴ族元素的情况比较相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。
利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用扩散或离子注入等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备各种器件。
若控制不当，会出现ND≈NA的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。
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P型和N型半导体
P型和N型半导体P型和N型半导体如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的⼀种元素──受主杂质，例如硼或铟，它们的价电⼦带都只有三个电⼦，并且它们传导带的最⼩能级低于第Ⅳ族元素的传导电⼦能级。
因此电⼦能够更容易地由锗或硅的价电⼦带跃迁到硼或铟的传导带。
在这个过程中，由于失去了电⼦⽽产⽣了⼀个正离⼦，因为这对于其它电⼦⽽⾔是个“空位”，所以通常把它叫做“空⽳”，⽽这种材料被称为“P”型半导体。
在这样的材料中传导主要是由带正电的空⽳引起的，因⽽在这种情况下电⼦是“少数载流⼦”。
如图1所⽰。
N型半导体如果掺⼊的杂质是周期表第V族中的某种元素──施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电⼦带都有五个电⼦，然⽽，杂质元素价电⼦的最⼤能级⼤于锗（或硅）的最⼤能级，因此电⼦很容易从这个能级进⼊第Ⅳ族元素的传导带。
这些材料就变成了半导体。
因为传导性是由于有多余的负离⼦引起的，所以称为“N”型。
也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离⼦，但主要还是由于有⼤量的电⼦引起的，因⽽（在N型材料中）电⼦被称为“多数载流⼦”。
如图2所⽰。
P型和N型半导体的应⽤由P型半导体或N型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器等电阻体。
由P型与N型半导体结合⽽构成的单结半导体元件，最常见的是⼆极管；此外，FET也是单结元件。
PNP或NPN以及形成双结的半导体就是晶体管。
（1）⽤于LEDLED在20世纪60年代诞⽣后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚⾄有⼈认为LED将会开创⼀个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。
LED的⼯作原理和我们常见的⽩炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是⼀种半导体器件。
LED的核⼼部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶⽚，在P型半导体和N型半导体的交界⾯就会出现⼀个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PN Junction Transistors)。
PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流⼦的扩散运动产⽣阻⼒，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，⽽在PN结中少数载流⼦与多数载流⼦进⾏复合，多余的能量就会转变成光⽽释放出来。
p型半导体和n型半导体的概念
p型半导体和n型半导体的概念1. 什么是半导体？嘿，大家好，今天我们来聊聊半导体，尤其是p型半导体和n型半导体。
你可能会想，半导体到底是什么玩意儿？其实，简单来说，半导体就是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
就像你在沙滩上找到的贝壳，不是海水里的鱼，也不是沙子，它们有自己的特点。
半导体在电子产品中可谓是举足轻重，没有它们，我们的手机、电脑都得“哭爹喊娘”。
说到这里，咱们不妨把话题往前推，先看看这些小家伙是怎么工作的。
1.1 半导体的基本性质半导体的一个重要特性就是它们的导电性可以被调节。
就像你在调音台上调节音量一样，半导体的导电能力可以通过掺杂其他元素来改变。
这就像给你的沙拉里加点盐，味道瞬间变得不一样。
掺杂的过程就是往半导体里加入一些“外援”，从而改变它的电性。
这里面就产生了p型和n型半导体。
2. p型半导体好，接下来咱们聊聊p型半导体。
名字听起来很高大上，其实它的原理并不复杂。
p型半导体是通过掺杂一些带有“缺电子”的元素来制造的。
想象一下，这就像一个热闹的聚会，大家都在开心地跳舞，但突然有几个朋友不小心走开了，留下了空位。
这个“空位”就是我们说的“正电荷”，也就是“洞”。
这些洞实际上是电流的载体，就像聚会上的舞者们在空位之间游走，传递着热情。
2.1 p型半导体的特点p型半导体的一个特别之处就是它的“洞”会吸引电子，形成电流。
就像你在游乐园里排队玩过山车，队伍中的人越多，气氛越热烈。
p型半导体中，缺少的电子会让周围的电子更积极地参与到“舞会”中。
这使得p型半导体在电子器件中发挥着重要作用，比如二极管和晶体管。
2.2 p型半导体的应用说到应用，p型半导体可谓是“干将莫邪”，在很多地方都能看到它的身影。
比如在太阳能电池中，p型半导体与n型半导体结合，形成了一个小小的“发电厂”。
阳光一照，电流就开始源源不断地输出，简直就是“坐收渔利”。
所以，如果你有一天想在家里装个太阳能板，没准儿就是p型半导体在帮你省钱呢。
pn结的空间电荷区和耗尽区
pn结的空间电荷区和耗尽区
PN结是半导体器件中常见的一个结构，由P型半导体和N型
半导体组成。
在PN结的两侧有两个不同电荷的区域，即空间
电荷区和耗尽区。
下面将分别对这两个区域进行解释。
1. 空间电荷区（Depletion Region）：当P型半导体和N型半
导体接触形成PN结时，离子会由P半导体的施主离子和N半导体的受主离子进行扩散，形成带电粒子。
这些带电粒子由于彼此之间的相互作用而形成了一个区域，这个区域称为空间电荷区（depletion region），也称为耗尽区。
在空间电荷区域内，正负离子通过内部电场形成一个电场较强的区域。
2. 耗尽区（Depletion Region）：在PN结上形成的空间电荷区
域中，缺少了自由电子和空穴。
由于缺少这些带电粒子，导致此区域的电阻非常高，电流几乎不能通过。
这个无电流通过的区域就称为耗尽区。
需要注意的是，当PN结处于正向偏置状态时，空间电荷区会
变窄或消失，耗尽区的带电粒子会消失。
而当PN结处于反向
偏置状态时，空间电荷区会变宽，耗尽区的带电粒子会增多。
n型p型半导体
n型p型半导体1. 前言半导体是一个快速发展的领域，在现代电子设备中占据着重要地位。
作为半导体材料的n型和p型半导体，在半导体领域也发挥着至关重要的作用。
本文就围绕n型和p型半导体展开介绍，包括定义、特征、应用等方面，以期对读者有一定的指导和启发。
2. 什么是n型半导体？n型半导体指的是在半导体材料中，通过在晶体中注入少量杂质（如砷、锑等），一些原本假设是半价带的材料变成了导带，从而丰富了载流子类型，在外界电场作用下形成电子导体。
因此，n型半导体中等离子体主要由电子构成，电子是主要的载流子。
3. 什么是p型半导体？p型半导体相对于n型半导体来说，需要添加另一种的杂质。
例如，在硅晶体中，添加3价的杂质元素，如铝、硼等，可以使半导体变为p 型。
此时，半导体导带上缺乏电子，而在价带上却有空穴，即大量电子被替换成空穴。
因此，p型半导体中的载流子主要是空穴。
4. n型半导体的特征4.1 导电性好n型半导体中电子为主要载流子，由于电子迁移速度快，因此具有较好的导电性。
此外，n型半导体中的导电性还可通过改变杂质浓度和导电性温度系数等参数来调节。
4.2 电子捕获作用强n型半导体会形成少量的氧化物或氧（如在硅片表面），这些氧化物或氧能捕获电荷并储存，形成电容。
这种电容在半导体器件中应用比较广泛。
n型半导体中的电子捕获作用，也是半导体材料选择电子显微镜观察的原因之一。
5. p型半导体的特征5.1 导电性低p型半导体虽然也可以导电，但其导电性相对较差。
p型半导体中的空穴迁移速度比n型半导体中的电子速度慢，导致其导电性较低。
但是，为了特殊应用，p型半导体仍被广泛应用于半导体领域。
5.2 晶体结构更稳定添加杂质元素的目的也是使半导体的导电性提高。
但是，与n型半导体不同的是，p型半导体中的杂质离子尽管可以提供空穴，在杂质与半导体相同离子取代的情况下，空穴得到放电的更加困难。
因此，p 型半导体材料的结构比n型半导体结构稳定。
pn型半导体概念
pn型半导体概念pn型半导体概念简述1. pn型半导体的定义•pn型半导体是由p型半导体和n型半导体直接结合而成的半导体器件。
•其中，p型半导体富含正空穴，n型半导体富含自由电子。
2. pn结的形成•pn结是将p型半导体和n型半导体直接接触形成的结。
•在接触面上，电子从n型材料流向p型材料，形成空穴流。
•这种结构形成的电势垒能够阻止进一步的电子和空穴的扩散。
3. pn型半导体的特性•pn型半导体具有整流特性，即只允许电流在一个方向上通过。
•当外加正向电压时，电子从n型区域流向p型区域，空穴从p型区域流向n型区域，形成正向电流。
•当外加反向电压时，电子和空穴受到电势垒的阻挡，几乎无法通过形成反向击穿。
4. pn型半导体的应用•pn型半导体是很多电子器件的基石，如二极管和晶体管等。
•二极管利用pn结的整流特性，用于电路中的电流控制和信号变换。
•晶体管作为一种电子开关，利用控制电压的变化来控制电流的流动。
5. pn型半导体的进一步发展•pn结的理论研究和技术应用不断发展，例如引入pn结的光电二极管和太阳能电池等。
•新材料的开发和工艺的改进也促进了pn型半导体的进一步发展和广泛应用。
以上是对pn型半导体概念及其相关内容的简要介绍。
pn型半导体作为一种重要的半导体器件，其特性和应用在现代电子领域中扮演着重要的角色。
随着科技的不断进步，pn型半导体的应用也将不断拓展和创新。
6. pn型半导体的工作原理•当没有外加电压时，pn型半导体处于静态平衡状态。
•在p区，由于杂质原子与半导体原子的结合，形成了净正电荷；而在n区，由于杂质原子的添加，形成了净负电荷。
•这种形成的电势差导致了内建电场的形成，从而形成了pn结。
•pn结区域的电子和空穴在热平衡态下发生扩散，形成了载流子的浓度梯度。
7. pn型半导体的操作模式•正向偏置：当外加电压的正极连接到p区，负极连接到n区时，形成正向偏置。
•在正向偏置下，外加电压与内建电场方向相同，加大了电子和空穴的扩散，促进了正向电流的流动。
N型与P型半导体
N型与P型半导体什么是N型半导体，什么是P型半导体？N型半导体也称为电子型半导体。
N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N 型半导体。
在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。
自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。
掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。
P型半导体也称为空穴型半导体。
P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。
在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。
掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。
在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。
空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。
n型半导体就是在单晶硅中掺入5族元素杂质，多子为电子，p型半导体是掺入3族杂质，多子为空穴。
更深入的理解是通过改变费米能级使得自由电子或空穴的占有率提升，从而改变半导体导电性能。
怎么使N型半导体变成P型半导体？什么条件下可以使N型半导体变成P型半导体？N型半导体就是导电载流子是电子，P型半导体就是导电载流子是空穴。
N型半导体中之所以是电子导电是因为其在本征半导体基础上进行了施主掺杂（例如在本征Si中掺入5价的磷元素）而P型半导体中之所以是空穴导电是因为其在本征半导体基础上进行了授主掺杂（例如在本征Si中掺入3价的硼元素）Si为4价所以假设要想把磷掺杂量为X的N 型半导体转为P型当然就是在此N型半导体中掺入大于X量的磷（当然具体掺杂量与工艺及材料有关）半导体的掺杂等工艺要在超净间中进行，掺杂是半导体工艺中的一步，主要的掺杂方法有离子注入和热扩散半导体材料中形成pn结,是不是一定要先有p型半导体跟n型半导体? P型硅中是怎么形成pn结的?求解是的。
n型与p型半导体
n -型和p -型半导体半导体的电子性质是由价带和导带之间的带隙大小决定的(见第2章副篇)。
有些物质的带隙具有固定的大小, 这些物质叫本征半导体(intrinsic semiconductor), 许多半导体是所谓的非本征半导体(extrinsic semiconductor, 或外赋半导体), 其带隙的大小是通过小心地加入杂质控制的。
加入杂质的过程叫掺杂(doping)。
让我们以硅半导体为例, 对掺杂的结果做说明(图 )。
Si 是第IV 族元素, 当用第V 族元素P 掺杂时, 杂质P 原子的能级恰好处于Si 的导带的下方。
每个P 原子使用其5个价电子中的4个与相邻的4个Si 原子形成化学键, 热能就足以将那个“额外”的价电子激发至导带, 留下一个不能移动的P +正离子。
这里的P 原子叫给体原子(donor atom), 这类半导体的导电性主要依赖给体原子的电子在导带中的运动。
它们被称作n -型半导体, n 是negative 的首字母, 指载流子带负电荷。
当用第III 族元素Al 掺杂时, 杂质Al 原子的能级恰好处于Si 的价带的上方。
由于每个Al 原子只有3个价电子, 与相邻的3个Si 原子形成电子对键, 与第4个Si 原子只能形成单电子键。
然而, 此时的价带电子容易激发至受体能级的一个Al 原子, 形成一个不能移动的Al -负离子, 这里的Al 原子叫受体原子(acceptor atom)。
在这种情况下, 价带产生了一个带正电荷的空穴。
这类半导体的导电性主要依赖带正电荷的空穴的迁移, 它们被叫作p -型半导体, p 是positive 的首字母。
半导体器件原理-第三章
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x 空间电荷密度
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
➢ 若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为 施主型表面态。
➢ 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主 型表面态。
3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
施主型表面态：能 级释放电子后显正 电性。
受主型表面态：能 级接受电子后显负 电性。
界面态的 影响
表面态的电中性能级
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3.1肖特基势垒二极管 非理想因素
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
7
外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之 差等于外加电压引起的电势能之差
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
电中性条件
Qm Qs 0 Qm Qs Qss 0
n型半导体和p型半导体的电荷分离
n型半导体和p型半导体的电荷分离n型半导体和p型半导体的电荷分离导言：在现代电子技术领域中，半导体材料的电荷分离是至关重要的。
n型半导体和p型半导体是常见的半导体类型，它们之间的电荷分离过程对于半导体器件的正常运行至关重要。
本文将探讨n型半导体和p型半导体的电荷分离，以及相关的理论和应用。
1. 什么是半导体？半导体是一种电子特性介于导体和绝缘体之间的材料。
在半导体中，电子的能带结构决定了其电导性质。
一般来说，半导体材料具有两种基础类型：n型和p型。
2. n型半导体的电荷分离n型半导体是指在其晶格中掺入掺杂原子，这些原子的外层电子数比半导体的原子结构多，从而形成多余的自由电子。
这些自由电子在材料中移动并携带电荷。
当一个外部电压施加在n型半导体上时，自由电子将从负电极移向正电极，与正电荷相结合。
这样，n型半导体中的电子和正离子之间的电荷分离就发生了。
3. p型半导体的电荷分离p型半导体是指在其晶格中掺入掺杂原子，这些原子的外层电子数比半导体的原子结构少，从而形成多余的空穴。
空穴可以被看作是正电荷的载流子。
当一个外部电压施加在p型半导体上时，由于正电荷的吸引作用，空穴将从负电极移向正电极，与自由电子相结合。
这样，p 型半导体中的空穴和电子之间的电荷分离就发生了。
4. pn结的电荷分离n型半导体和p型半导体相互结合形成的pn结在半导体器件中起着重要作用。
pn结中的电荷分离是通过电势差和能带结构之间的差异实现的。
当两个半导体相接触时，由于电荷分离的存在，形成了空间电荷区，其中包含电荷亚区和电场。
这个空间电荷区被称为耗尽区，因为它里面没有自由载流子。
5. 电荷分离的应用电荷分离是许多半导体器件的关键技术。
二极管就是一种基于pn结的器件，它利用电荷分离的原理实现了只允许电流在一个方向上流动的功能。
另一个常见的应用是多晶硅太阳能电池，它利用n型和p型硅来实现太阳能的转化。
结论：在本文中，我们详细讨论了n型半导体和p型半导体的电荷分离。
半导体的n型和p型ppt课件
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3.杂质半导体
p型半导体
•因三价杂质原子在与硅原子 形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个 空穴。 •在Ｐ型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形 成 ；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 •空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价 杂质因而也称为受主杂质。
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3.杂质半导体
n型半导体
因五价杂质原子中只有四个价电 子能与周围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚而很容 易形成自由电子。
在Ｎ型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
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2.本征半导体
由于随机热振动致使共价键被打破而产生电 子空穴对。
本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电 子和带正电的空穴。分别用n和p表示自由电子和空穴 的浓度，有n=p。
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4.掺杂工艺简介
对砷化镓的扩散工艺而言，因砷的蒸汽压高，所以需要特别 的方式来防止砷的分解或蒸发所造成的损失。包括含过压的 封闭炉管中扩散及在含有掺杂氧化物覆盖层（氮化硅）的开 发炉管中扩散。p型扩散选用Zn元素，采用Zn-Ga-As合金或 ZnAs2（封闭炉管法）或ZnO-SiO2（开放炉管法）。n型掺杂 剂有硒和碲。
2.本征半导体
空穴、电子导电机理
由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用 下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个 电子原来的位置上又留下新的 空位，以后其他电子又可转移 到这个新的空位。这样就使共 价键中出现一定的电荷迁移。 空穴的移动方向和电子移动方 向是相反的。
N型和P型半导体
N型和P型半导体
1、特点
半导体中有两种载流子，即价带中的空穴和导带中的电子，以电子导电为主的半导体称之为N型半导体，与之相对的，以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。
“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。
在这类半导体中，参与导电的 (即导电载体) 主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的施主。
凡掺有施主杂质或施主数量多于受主的半导体都是N型半导体。
例如，含有适量五价元素砷、磷、锑等的锗或硅等半导体。
由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。
自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。
掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。
2、形成原理
掺杂和缺陷均可造成导带中电子浓度的增高。
对于锗、硅类半导体材料，掺杂Ⅴ族元素(磷、砷、锑等)，当杂质原子以替位方式取代晶格中的锗、硅原子时，可提供除满足共价键配位以外的一个多余电子，这就形成了半导体中导带电子浓度的增加，该类杂质原子称为施主。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的施主往往采用Ⅳ或Ⅵ族元素。
某些氧化物半导体，如ZnO、Ta等，其化学配比往往呈现缺氧，这些氧空位能表现出施主的作用，因而该类氧化物通常呈电子导电性，即是N型半导体，真空加热，能进一步加强缺氧的程度，这表现为更强的电子导电性。
p型半导体和n型半导体的定义
p型半导体和n型半导体的定义哎呀，听说你对半导体感兴趣？哎呀，这真是一个有趣的世界！让我们一起掀开这层神秘的面纱，看看p型半导体和n型半导体到底是什么鬼。
其实，这些术语听起来高深莫测，但咱们可以把它们说得简单点儿，就像给小孩子讲故事一样。
准备好了吗？那就跟我一起去探索这段科技小冒险吧！1. 半导体的基本概念首先，我们得搞清楚什么是半导体。
半导体可不是那种半熟的蛋黄，哈哈！它其实是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
简单来说，半导体能在特定条件下传导电流，但又不像金属那样随便流动。
举个例子，半导体就像你在冬天穿的保暖内衣，冷的时候能让你暖和，热的时候却不会让你闷得喘不过气来。
半导体有一个很特别的属性，就是它的导电能力可以通过掺杂其他元素来调节。
就像在一锅清汤里加点儿盐、胡椒，味道立刻大变样。
通过这种方式，我们可以制造出两种不同的半导体：p型半导体和n型半导体。
2. p型半导体的魅力好了，接下来我们聊聊p型半导体。
这家伙可有意思了，咱们可以把它想象成一个温柔的巨人。
p型半导体是通过在半导体材料中加入一些“接受”电子的元素，比如硼，来实现的。
结果就是，这些元素给半导体留下了“缺口”，这些“缺口”就像是那个饥饿的小肚子一样，迫切需要电子来填补。
这些“缺口”其实是正电荷的区域，能“吸引”电子来弥补。
我们可以把它们比作你饭桌上的空盘子，等着美味的食物（也就是电子）来填满。
因为这些缺口在电场中显得非常“饥渴”，所以p型半导体的电流主要是由这些正电荷的移动来传导的。
3. n型半导体的特性现在我们来说说n型半导体。
这位可就不那么温柔了，它的性格像极了一个精力充沛的小家伙。
n型半导体是通过掺杂一些能提供额外电子的元素来制造的，比如磷。
结果就是，这些额外的电子像是无家可归的小孩，四处乱跑，增加了半导体的导电能力。
这些额外的电子带着负电荷，它们在电场中欢快地移动，形成了电流。
你可以把这些电子想象成一群顽皮的小精灵，咯咯笑着从这里跑到那里。
P型和N型半导体
P型和N型半导体如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的一种元素──受主杂质，例如硼或铟，它们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第Ⅳ族元素的传导电子能级。
因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传导带。
在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而这种材料被称为“P”型半导体。
在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”。
如图1所示。
N型半导体如果掺入的杂质是周期表第V族中的某种元素──施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电子带都有五个电子，然而，杂质元素价电子的最大能级大于锗（或硅）的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第Ⅳ族元素的传导带。
这些材料就变成了半导体。
因为传导性是由于有多余的负离子引起的，所以称为“N”型。
也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而（在N型材料中）电子被称为“多数载流子”。
如图2所示。
P型和N型半导体的应用由P型半导体或N型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器等电阻体。
由P型与N型半导体结合而构成的单结半导体元件，最常见的是二极管；此外，FET也是单结元件。
PNP或NPN以及形成双结的半导体就是晶体管。
（1）用于LEDLED在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。
LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。
LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PN Junction Transistors)。
PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。
p型半导体和n型半导体定义
p型半导体和n型半导体是两种基本类型的半导体材料，其定义如下：
1. p型半导体：p型半导体是指在其晶格结构中掺入了一定量的三价元素（如硼、铝等），使其成为带有正电荷的材料。
这些掺杂材料通常被称为"杂质"或"受主杂质"。
在p型半导体中，这些杂质原子取代了晶格中的一些原子，并在晶格中创建了"空穴"，即带有正电荷的移动空位。
因此，p型半导体中主要载流子是空穴，而电子的浓度相对较低。
2. n型半导体：n型半导体是指在其晶格结构中掺入了一定量的五价元素（如磷、砷等），使其成为带有负电荷的材料。
这些掺杂材料通常被称为"杂质"或"施主杂质"。
在n型半导体中，这些杂质原子取代了晶格中的一些原子，并在晶格中创建了额外的自由电子，增加了电子的浓度。
因此，n型半导体中主要载流子是电子。
这两种类型的半导体材料在电子和空穴的载流子浓度上有所不同，这是由掺杂材料的性质决定的。
通过将p型半导体和n型半导体连接在一起，形成p-n结，可以构建出各种半导体器件，如二极管、晶体管和集成电路等。
这种组合利用了载流子在p-n结中的漂移和扩散行为，实现了半导体器件的功能。
n型半导体和p型半导体的电荷分离
文章标题：n型半导体和p型半导体的电荷分离一、引言在现代科技领域，半导体材料的应用十分广泛，其中n型半导体和p 型半导体作为最基本的材料类型，对于电子器件的制造和功能发挥起着至关重要的作用。
本文将从电荷分离的角度，探讨n型半导体和p 型半导体在半导体器件中的作用和意义。
二、n型半导体和p型半导体的定义1. n型半导体n型半导体是指在其晶格中掺杂了能够提供自由电子的杂质，从而使其导电性质得到提高的半导体材料。
常见的掺杂元素有磷和砷等，它们在晶格中形成的额外电子会增加n型半导体的自由电子浓度。
2. p型半导体p型半导体是指在其晶格中掺杂了能够提供空穴的杂质，从而使其导电性质得到提高的半导体材料。
常见的掺杂元素有硼和镓等，它们在晶格中形成的电子空穴会增加p型半导体的空穴浓度。
三、n型半导体和p型半导体的电荷分离1. 电子在n型半导体中的行为在n型半导体中，掺杂的杂质原子提供了额外的自由电子，并且这些自由电子会受到外加电场的影响而向正极移动，从而形成了电流。
n 型半导体中的电子浓度远远大于空穴浓度，因此电子在导电中起着主导作用。
2. 空穴在p型半导体中的行为在p型半导体中，掺杂的杂质原子提供了电子空穴，当外加电场作用于p型半导体时，电子空穴会向负极移动，形成了电流。
p型半导体中的空穴浓度远远大于电子浓度，因此空穴在导电中起着主导作用。
四、n型半导体和p型半导体在半导体器件中的应用1. pn结pn结是由n型半导体和p型半导体直接接触形成的结构，通过这种结构的建立，n型半导体的额外电子和p型半导体的电子空穴会在结区相遇并复合，从而产生电荷分离现象，这种现象是许多半导体器件正常工作的基础。
2. 发光二极管（LED）在LED器件中，n型半导体和p型半导体通过pn结的形成实现了电荷分离，当电流通过LED器件时，会引起n型半导体和p型半导体中的电子和空穴再复合，并放出能量，从而产生光的辐射。
3. 光伏电池光伏电池是利用半导体材料吸收光能而产生电能的器件，通过n型半导体和p型半导体的结构形成电荷分离，当光线照射到光伏电池上时，激发n型半导体和p型半导体中的电荷，并引起电流的产生。
n型半导体、P型半导体
半导体催化剂的掺杂改性
2CO+O2=2CO2为例 CO氧化CO2用P型如NiO掺入Li+起受主作用，增加空穴，降 低了反应的活化能。如加入Cr3+（施主）使Ni空穴数减少 增加了反应的活化能。 如果在催化剂上CO吸附变成正离子是控制步骤，CO起表面 施主的作用CO把电子给了P型半导体NiO减少空穴不利于接 受CO电子如果加入Li+会增加空穴数使导电率长高，用利 于表面吸附这一控制步骤的进行。
E （ a）
E
E （ c）
5eV~10eV （ b）
0.2eV~0.3eV
导体
E （ d）
绝缘体
E （ e）
本征半导体
施主能线
受主能线
N型 半 导 体
P型 半 导 体
Ef
Ef
Ef
本征半导体、n型半导体、P型半导体
N型半导体和p型半导体的形成 当金属氧化物是非化学计量，或引入杂质离子或原子可产 生n型、p型半导体。 杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体中，存 在于晶格表面或晶格交界处。这些杂质可引起半导体禁带 中出现杂质能级。 如果能级出现在靠近半导体导带下部称为施主能级。施主 能的电子容易激发到导带中产生自由电子导电。这种半导 体称为n型半导体。 如果出现的杂质能级靠近满带上部称为受主能级。在受主 能级上有空穴存在。很容易接受满带中的跃迁的电子使满 带产生正电空穴关进行空穴导电，这种半导体称为p型半 导体。
CH2
-
CH2
+ -
+
-
+
+
-
+
-
-
过渡金属氧化物催化特点
半导体对催化性能的影响 N型有利于加氢还原，P型有利于氧化。 费米能级的高低可以调节催化剂的选择性，如丙烯氧化制 丙烯醛时，通过引入Cl-来改变催化剂的选择性。 与电子构型的关系d0、d10金属离子吸附时，d0无电子反馈， d10吸附较弱。表面物种较为活泼，不会发生深度氧化。
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分布．对图(a)及(b)表示的一维p-n结和对应的热平衡能带图,
空 间 电 荷 分 布 和 静 电 电 势 的 特 定 关 系 可 由 泊冶松金结方 程 式
(Poisson’s equation)得到，
d 2
dx 2
dE dx
s s
q
s
(ND
N A p n)
p p
静
冶金结 n
电 势
n
这里假设所有的施主和受主皆已电离 （a） 冶金结中突变掺杂的p-n结
在 远 离 冶 金 结 (metallurgical
（a） 冶金结中突变掺杂的p-n结
junction)的区域，电荷冶金保结持中性 ，且总空间电p 荷密度为零．对n这些 中性区域，上式可简化为
d 2
dx 2
0 （a）即冶金N结D中突N变A掺杂p的p-nn结 0
Jp
J（p 漂移） J（p 扩散） q p pE qDp
dp dx
q p
p( 1 q
dE场用了 E
1 q
dEC dx
1 q
dEi dx
和爱因斯坦关系式 Dp
kT q
p
由空穴浓度的关系式和其导数
p
ni
exp(
Ei
EF kT
)
dp p ( dEi dEF ) dx kT dx dx
热平衡状态下的p-n结
将上式，即
dp p ( dEi dEF ) 代入下式，即
Jp
dx kT dx dx
J（p 漂移） J（p 扩散） q p pE qDp
dp dx
q p
p( 1 q
dEi dx
)
kT p
dp dx
0
得到净空穴电流密度为
Jp
p
p
dEF dx
0
或
同理可得净电子电流密度为
dEF 0 dx
， 其 中 NA>>ND ． 在 这 个 例 子 ，p侧耗尽层宽度较n侧小很
多(也就是xp<<xn).
W的表达式可以简化为
W xn
2 sVbi
qN D
V0 （a） （b）
（c）
p＋
n
ND NA ND
x
0
xn W
NA NA ND
E
W
x
0
m
Vbi
（d）
0
Vbi
W
x
（a）在热平衡时，单边突变结（NA ND） （b）空间电荷分布 （c）电场分布 （d)随距离改变的电势分布，其中Vb为i 内建电势
突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的p-n 结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然 变换来近似表示．
ND－NA
ND－NA
x
NB （a）突变结
0 xp
xn
x
ND－NA
耗尽区
在耗尽区域，自由载流子完全耗尽，泊松方程式
d 2
dx 2
dE dx
s s
q
s
(ND
NA
热平衡状态下的p-n结
当p型和n型半导体紧密结合时，由于在结上载流子存在大
的浓度梯度，载流子会扩散．在p侧的空穴扩散进入n侧，而n
侧的电子扩散进入p侧．
当空穴持续离开p侧，在结
E
附近的部p分负受主离子nNA－未能
p
n
够受到补偿，此乃因受主被固定
在 ．半类EC导似体地晶，格在结，附而近空的穴部则分可EE正移CF 施动 主 得离到EEVF子补N偿D．+在因电此子，离负开空n间侧电时E荷未V 在能 接近结p侧形成，而正空间电荷
－E m
面积＝Vbi
图3.8 (a)在热平衡时，(空a间)热电平荷在衡耗时尽空区的间分电布荷．在(b)电耗场尽分区布．的阴分影布面积为内建
Em
qND xn
s
qN A x p
s
(b)电场分布。阴影面积为内建电势
耗尽区
将
E(x) d qNA(x xp )
dx
s
xp x 0
和
E(x)
Em
)
由上二式可计算出在不同掺杂浓度时，硅和砷化镓的 p 和ψn
值的大小，如图所示．对于一给定掺杂的浓度，因为砷化镓有
较小的本征浓度，其静电势较高． 0.8
p或n / V
在热平衡时，p型和n型中性
0.6
GaAs
区的总静电势差即为内建电
势Vbi
0.4 Si
Vbi
n
p
kT q
ln(
NAND ni2
)
0.2
qND x
s
qND
s
(x
xn )
0 x xn
对耗尽区积分，可得到总电势变化，此即内建电势Vbi：
Vbi
xn E(x)dx xp
0
E(x)dx
－ xn E(x)dx
＝
qN
A
x
2 p
xp
p侧 0
n侧 2 s
qND xn2
2 s
1 2
EmW
上式结合
N Axp ND xn
和
Em
qND xn
0 1014
1015
1016
300K
1017
1018
NA或ND / cm3
图3.6 硅和砷化镓的p端和n端突变结的内建电势和杂质浓度的关
热平衡状态下的p-n结
空间电荷(space charge) ：
由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这
些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进 间 尽 尽 宽（（度区电区入apa）p）。的荷，移冶冶宽区如动金金度)右载结结．中要图流中对突突小所子变于变冶．示浓冶掺掺一金金因，杂度杂结般结的此其的为硅pnp可-中零n-n和n结以结x的砷p和忽完化x略全n镓分过耗电势 静电的势 静别（渡（尽电能子势pE电b能子势代E区bi-）区in）表结，在，在p，热而热q这型q平其以平p个和p衡衡过长下区n下型渡方突域突在变区形变称结完的分结为的q的q全宽布能耗能a a耗度来带带q尽qV图尽远表V图b区ibEEiEEE区比示VEEiVCF(i CF的耗耗空
E
p
n
EC
EF EV
扩散
漂移
扩散
EC EF
EV 漂移
（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图
图3.4
热平衡状态下的p-n结
平衡费米能级(equilibrium Fermi levels) ：
在热平衡时，也就是在给定温度之下，没有任何外加激励，流 经结的电子和空穴净值为零．因此，对于每一种载流子，电场 造成的漂移电流必须与浓度梯度造成的扩散电流完全抵消．即
2
或由右图得到
Vbi n p 0.30V 0.47V 0.77V
耗尽区
耗尽区(abrupt junction)
为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑 两种重要的例子，即突变结(abrupt junction)和线性缓变 结(1inearly graded junction)．
p型中性区 p型中性区
过渡区 过渡区
耗尽区
耗尽区ND－NA ND－NA
n型中性区 n型中性区
x
0 0
过渡区x
未补偿过的渡杂区质离子
未所补造偿成的的杂电质荷离密子度
所造成的电荷密度
p型中性区 p型中性区
xp xp
n型中性区
ND－NAn型中性区 ND－NA
x
0
xn x
0
xn
耗尽区 耗尽区
（c）空间电荷分布
s
qN A x p
s
可得到以内建电势为函 数的总耗尽区宽度为：
W
2 s
q
1 ND
1 NA
Vbi
2 s
q
(NA ND NAND
)Vbi
耗尽区
单边突变结(one—side abrupt junction) 当p-n结一侧的掺杂浓度远比另一侧高的突变结为单边突变结
图(a)和(b)分别显示单边突
变 p-n 结 及 其 空 间 电 荷 分 布
由于
ND NA p n 0
p 型 中 性冶区金相结 对 于 费 米
能级的静电电势，在图 中标示为ψp。对n 于p型 中 性 区 ， 假 设 ND=0 和
静 电 势
电 子 势 能
Ei
q p
p>>n ， 可 以 由 设 定
qVbi EC
EF
q na
Ei
EV
冶金结N入D中=式pn突=0变n及i掺e将x杂p结的( E果pi-knp结T=ENAF代)
电流的p方向相反．图n 下方
显示，空穴扩散电流由左
至EC右 流 动 ， 而 空 穴 漂 移 电EC 流 因 为 电 场 的 关 系 由 右 至E F
左右EEVF移至
动 左
． 流
电 动
子 ，
扩 而
散 电
电 子
流 漂
由 移EV
电流移动的方向刚好相反
．应注意由于带负电之故
，电子由右至左扩散，恰
与(a)电形成流结方前均向匀相掺杂反p型。和n型半导体
（d）空间电荷的长方形近似
热平衡状态下的p-n结
在p=n=0时．式 变成
d 2
dx 2
dE dx
s s
q
s
(ND
NA
p n)
d 2
dx 2
q
s
(NA
ND)
热平衡状态下的p-n结
例1:计算一硅p-n结在300K时 0.8
的 内 建 电 势 ， 其 NA ＝ 1018cm-3 和ND＝1015cm-3．