本征半导体与非本征半导体

纯净半导体仅通过热激发产生的电子-空穴对导电，但有意添加施主或受主杂质可将其转变为n型或p型材料，从而实现可控电导率。

Definition

本征半导体是一种纯净晶体，其中通过跨能带隙的热激发产生等量的电子和空穴；非本征半导体是掺杂有施主或受主杂质的半导体，这些杂质产生过量的一种载流子类型，使其成为n型或p型。

Scope

本主题区分了本征半导体（其中电子和空穴浓度相等，由跨能隙的热激发决定）与非本征（掺杂）半导体（其中施主或受主杂质提供多数载流子）。它涵盖了浅施主和受主能级、电离、冻结、非本征和本征温度区域，以及由此产生的载流子浓度对温度的依赖性。它为后续的载流子统计和结主题奠定了基础。

Core questions

• 纯净半导体中载流子是如何产生的？为什么本征浓度随温度急剧上升？
• 施主和受主杂质如何产生n型和p型材料？
• 为什么掺杂剂能级是浅的？电离如何随温度变化？
• 载流子浓度的冻结、非本征和本征区域是什么？

Key concepts

• 本征载流子浓度
• 施主和受主杂质
• n型和p型材料
• 浅杂质能级和电离
• 冻结、非本征和本征区域

Clinical relevance

区分非本征材料和本征材料的受控掺杂是所有半导体器件的基础；选择掺杂剂类型和浓度决定了构成二极管、晶体管和集成电路区域的载流子密度和电导率。

History

杂质在半导体导电中的作用在20世纪30年代和40年代得到阐明，而20世纪40年代末和50年代初贝尔实验室在受控掺杂和单晶生长方面的进展使得可重现的n型和p型材料成为可能，从而催生了晶体管和半导体产业。

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

什么使掺杂剂成为施主或受主？

施主比其取代的主体原子多一个价电子，很容易将其提供给导带（n型）；受主少一个价电子，从价带捕获一个电子并留下一个空穴（p型）。

为什么本征半导体受热后导电性更好？

升高温度会使更多的电子获得足够的能量跨越能带隙，从而指数级增加可用于传导电流的电子-空穴对数量，这与金属的导电性随加热而下降的情况相反。