主要区别——p型与n型半导体

p型和n型半导体对现代电子器件的结构至关重要。它们非常有用，因为它们的传导能力很容易控制。二极管和晶体管是各种现代电子产品的核心，它们的结构需要p型和n型半导体。p型半导体和n型半导体的主要区别在于，p型半导体是通过在本征半导体中加入Ⅲ族元素的杂质而制成的，而n型半导体中的杂质是Ⅳ族元素。

什么是半导体(a semiconductor)？

半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。在固体能带理论中，能级是用能带来表示的。根据这一理论，对于要导电的材料，价带中的电子应该能够向上移动到导带（注意这里的“向上移动”并不意味着电子在物理上向上移动，而是指电子获得了与导带能量相关的能量）。根据这一理论，金属（导体）具有价带与导带重叠的能带结构。因此，金属很容易导电。在绝缘体中，价带和导带之间的带隙很大，因此电子很难进入导带。相比之下，半导体的价带和导带之间有一个很小的间隙。例如，通过提高温度，就有可能给电子足够的能量，使它们能够从价带移动到导带。然后，电子可以在导带中运动，半导体可以导电。

How metals (conductors), semiconductors and insulators are viewed under the band theory of solids.

本征半导体是每个原子有四个价电子的元素，即周期表中“第四族”的元素，如硅（Si）和锗（Ge）。由于每个原子有四个价电子，每个价电子都能与相邻原子中的一个价电子形成共价键。这样，所有的价电子都会形成共价键。严格地说，情况并非如此：根据温度的不同，许多电子能够“打破”共价键并参与传导。然而，通过在半导体中添加少量杂质，在一种称为掺杂的过程中，可以大大提高半导体的导电能力。添加到本征半导体中的杂质称为掺杂剂。掺杂半导体被称为非本征半导体。

什么是n型半导体(an n-type semiconductor)？

n型半导体是通过在本征半导体中加入少量的V族元素，如磷（P）或砷（as）而制成的。V族元素每个原子有五个价电子。因此，当这些原子与Ⅳ族原子成键时，由于材料的原子结构，只有五个价电子中的四个能参与共价键。这意味着每一个掺杂原子都有一个额外的“自由”电子进入导带并开始导电。因此，n型半导体中的掺杂原子被称为施主，因为它们将电子“贡献”给导带。根据能带理论，我们可以想象来自施主的自由电子的能级接近导带的能量。由于能隙很小，电子很容易跃进导带并开始传导电流。

什么是p型半导体(a p-type semiconductor)？

p型半导体是通过在本征半导体中掺杂诸如硼（B）或铝（Al）之类的Ⅲ族元素而制成的。在这些元素中，每个原子只有三个价电子。当这些原子被添加到本征半导体中时，三个电子中的每一个都能与本征半导体周围三个原子的价电子形成共价键。然而，由于晶体结构的原因，掺杂原子如果多了一个电子，就可以形成另一个共价键。换句话说，现在电子有一个“空位”，这种“空位”通常被称为空穴。掺杂原子现在可以从周围的一个原子中取出一个电子，并利用它形成一个键。在p型半导体中，掺杂原子被称为受主，因为它们自己吸收电子。

现在，偷了一个电子的原子也留下了一个空穴。这个原子现在可以从它的一个邻居那里偷一个电子，而这个邻居又可以从它的一个邻居那里偷一个电子……以此类推。通过这种方式，我们实际上可以想象一个“带正电的空穴”可以穿过一种材料的价带，就像一个电子可以穿过导带一样。导带中的“空穴运动”可视为电流。注意，对于给定的电位差，价带中空穴的运动与导带中电子的运动方向相反。在p型半导体中，空穴是主要载流子，而导带中的电子是次要载流子。

根据能带理论，被接受电子的能量（“受主能级”）略高于价带的能量。来自价带的电子很容易达到这个水平，在价带留下空穴。下图显示了本征、n型和p型半导体的能带。

Energy bands in intrinsic, n-类型和p-类型半导体。

p型(p-type)和n型半导体(n-type semiconductor)的区别

掺杂剂

在p型半导体中，掺杂剂是Ⅲ族元素。

在n型半导体中，掺杂剂是IV族元素。

掺杂行为：

在p型半导体中，掺杂原子是受体：它们吸收电子并在价带中产生空穴。

在n型半导体中，掺杂原子起到施主的作用：它们提供的电子很容易到达导带。

多数承运人

在p型半导体中，大多数载流子是在价带中移动的空穴。

在n型半导体中，大多数载流子是在导带中运动的电子。

多数承运人运动

在p型半导体中，大多数载流子沿常规电流方向移动（从高电位到低电位）。

在n型半导体中，大多数载流子的运动方向与常规电流方向相反。

Image Courtesy:

“Comparison of the electronic band structures of metals, semiconductors and insulators.” by Pieter Kuiper (self-made) [Public Domain], via Wikimedia Comm***