像硅这样的纯半导体导电能力很弱,介于良导体和绝缘体之间。掺杂是指有意加入极少量的另一种元素,以改变它传导电流的方式。
加入外层电子有多余的元素,会形成 n 型材料,它靠携带负电的多余自由电子导电。加入缺少电子的元素,会形成 p 型材料,它靠空穴导电,空穴是缺了一个电子的位置,表现得像带正电的载流子。哪怕极少量的掺杂物,也会带来巨大差别。
通过接合 n 型和 p 型材料,工程师造出了驱动现代电子学的元件:一个结形成二极管,三层夹叠形成晶体管。
在 SPM 中,你应从自由电子和空穴的角度描述 n 型和 p 型半导体,并认识到它们是二极管和晶体管的基础。
常见误解
- 掺杂要加入大量杂质 -> 只加入极少量且受控的杂质,却能大大改变导电性。
- n 型材料整体带负电 -> 它是电中性的;n 型只是指载流子是自由电子。
- 空穴是真实移动的粒子 -> 空穴是缺失的电子;邻近电子移过来填补,看起来像正电荷在移动。
背后的物理
纯(本征)硅是一种半导体:每个原子把它的四个外层(价)电子与相邻原子形成共价键,几乎没有自由载流子,所以导电性很差。掺杂是有意用价电子数目不同的原子替换掉少数硅原子,所产生的载流子决定了它的类型。
像磷这样的原子有五个价电子。四个进入共价键,多出的第五个成为携带负电的自由电子。
这样掺杂的硅是 n 型。像硼这样的原子只有三个价电子,于是有一个键留下一个空位,称为空穴,它表现为带正电的载流子。
这样掺杂的硅是 p 型。
掺杂物的比例极小,却使导电性大大提高,因为它在本征硅几乎没有载流子的地方加入了可移动的载流子。无论 n 型还是 p 型,材料整体上都保持电中性:多加一个电子的同时,掺杂原子核里也多了一个质子,电荷因此保持平衡。
在日常生活中看见它
马来西亚拥有庞大的半导体与芯片封装工业,工厂设在槟城和吉打州的居林等地。他们封装的硅芯片,全都始于超纯的硅,然后一区一区地掺杂,来构建每一部手机和笔记本电脑里那些微小的二极管和晶体管。
一个好用的比喻是坐满人的学校礼堂。本征硅就像每个座位都坐满、谁也动不了的礼堂,人群无法流动。
加进几个没有座位的人(自由电子),现在就能移动了:这就是 n 型。反过来,抽走几个人、留下空座(空穴),旁边的人便挪过去填补,于是空座看起来朝相反方向移动:这就是 p 型。
由于工厂能精确控制每一区在哪里、掺得多重,它就能在一片晶圆上铺下数以百万计的 n 型和 p 型区域,并把它们连成能工作的电路。你身边的日常电子产品之所以存在,正是因为掺杂把一块几乎不导电的晶体,变成了导电性可以被设计的材料。
它在 SPM 中如何出现
在试卷二中,掺杂常以命令词 描述、解释 和 陈述 来考。你可能被要求陈述 n 型和 p 型材料是什么,描述掺杂如何改变半导体的导电性,或从多数载流子的角度解释两种类型的区别。
在电子学章节里,掺杂是相邻内容标准所依赖的基础。它直接引出 p-n 结和半导体二极管,即 n 型区与 p 型区相接之处,以及二极管在整流中的应用。
它接着支撑起晶体管,也就是三层掺杂材料,及其作为开关和放大器的用途。
常见的要求是把掺杂物的种类与“导电是靠自由电子还是靠空穴”关联起来,并清楚陈述掺杂后的材料整体仍是中性的。要小心地把空穴描述为缺失的电子,而不是真实粒子,并把掺杂量描述为极少。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)