杂质半导体中的多数载流子(多子)浓度主要取决于掺杂浓度,这是半导体导电性能的核心控制因素。在N型半导体中,多子为自由电子,其浓度近似等于施主杂质(如磷、砷)的掺杂浓度;在P型半导体中,多子为空穴,浓度则由受主杂质(如硼、铝)的掺杂量决定。温度对多子浓度影响较小,而少子浓度则与温度密切相关。
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掺杂浓度是决定性因素
杂质半导体的导电特性通过掺杂微量五价或三价元素实现。例如,每掺入一个五价施主原子(如砷),N型半导体就多出一个自由电子;每掺入一个三价受主原子(如硼),P型半导体则多出一个空穴。实验表明,即使微量掺杂(如/cm³),多子浓度也可比本征载流子浓度高数个数量级,显著提升导电性。 -
杂质类型与多子关系
N型半导体的自由电子浓度(施主杂质浓度),P型半导体的空穴浓度(受主杂质浓度)。掺杂后,多子浓度远高于本征激发产生的载流子,例如硅中掺砷时,自由电子浓度可达/cm³,而本征载流子仅/cm³。 -
温度影响有限但需注意边界条件
在强电离区(室温附近),多子浓度基本与温度无关。但当温度超过450K时,本征激发增强,可能导致半导体从杂质型过渡到本征型,此时多子浓度不再由掺杂主导。 -
电中性条件的数学表达
杂质半导体的电中性方程表明多子浓度直接关联掺杂浓度:N型满足,P型满足。这一近似在常规工作温度范围内成立。
总结来看,通过精确控制掺杂浓度,可灵活设计半导体的导电类型与性能,这是制造二极管、晶体管等器件的关键基础。实际应用中需注意掺杂均匀性及温度稳定性,以确保器件可靠性。