主要區別——p型與n型半導體

p型和n型半導體對現代電子器件的結構至關重要。它們非常有用，因為它們的傳導能力很容易控制。二極體和電晶體是各種現代電子產品的核心，它們的結構需要p型和n型半導體。p型半導體和n型半導體的主要區別在於，p型半導體是透過在本徵半導體中加入Ⅲ族元素的雜質而製成的，而n型半導體中的雜質是Ⅳ族元素。

什麼是半導體(a semiconductor)？

半導體是一種導電性介於導體和絕緣體之間的材料。在固體能帶理論中，能級是用能帶來表示的。根據這一理論，對於要導電的材料，價帶中的電子應該能夠向上移動到導帶（註意這裡的“向上移動”並不意味著電子在物理上向上移動，而是指電子獲得了與導帶能量相關的能量）。根據這一理論，金屬（導體）具有價帶與導帶重疊的能帶結構。因此，金屬很容易導電。在絕緣體中，價帶和導帶之間的帶隙很大，因此電子很難進入導帶。相比之下，半導體的價帶和導帶之間有一個很小的間隙。例如，透過提高溫度，就有可能給電子足夠的能量，使它們能夠從價帶移動到導帶。然後，電子可以在導帶中運動，半導體可以導電。

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

本徵半導體是每個原子有四個價電子的元素，即週期表中“第四族”的元素，如矽（Si）和鍺（Ge）。由於每個原子有四個價電子，每個價電子都能與相鄰原子中的一個價電子形成共價鍵。這樣，所有的價電子都會形成共價鍵。嚴格地說，情況並非如此：根據溫度的不同，許多電子能夠“打破”共價鍵並參與傳導。然而，透過在半導體中新增少量雜質，在一種稱為摻雜的過程中，可以大大提高半導體的導電能力。新增到本徵半導體中的雜質稱為摻雜劑。摻雜半導體被稱為非本徵半導體。

什麼是n型半導體(an n-type semiconductor)？

n型半導體是透過在本徵半導體中加入少量的V族元素，如磷（P）或砷（as）而製成的。V族元素每個原子有五個價電子。因此，當這些原子與Ⅳ族原子成鍵時，由於材料的原子結構，只有五個價電子中的四個能參與共價鍵。這意味著每一個摻雜原子都有一個額外的“自由”電子進入導帶並開始導電。因此，n型半導體中的摻雜原子被稱為施主，因為它們將電子“貢獻”給導帶。根據能帶理論，我們可以想象來自施主的自由電子的能級接近導帶的能量。由於能隙很小，電子很容易躍進導帶並開始傳導電流。

什麼是p型半導體(a p-type semiconductor)？

p型半導體是透過在本徵半導體中摻雜諸如硼（B）或鋁（Al）之類的Ⅲ族元素而製成的。在這些元素中，每個原子只有三個價電子。當這些原子被新增到本徵半導體中時，三個電子中的每一個都能與本徵半導體周圍三個原子的價電子形成共價鍵。然而，由於晶體結構的原因，摻雜原子如果多了一個電子，就可以形成另一個共價鍵。換句話說，現在電子有一個“空位”，這種“空位”通常被稱為空穴。摻雜原子現在可以從周圍的一個原子中取出一個電子，並利用它形成一個鍵。在p型半導體中，摻雜原子被稱為受主，因為它們自己吸收電子。

現在，偷了一個電子的原子也留下了一個空穴。這個原子現在可以從它的一個鄰居那裡偷一個電子，而這個鄰居又可以從它的一個鄰居那裡偷一個電子……以此類推。透過這種方式，我們實際上可以想象一個“帶正電的空穴”可以穿過一種材料的價帶，就像一個電子可以穿過導帶一樣。導帶中的“空穴運動”可視為電流。註意，對於給定的電位差，價帶中空穴的運動與導帶中電子的運動方向相反。在p型半導體中，空穴是主要載流子，而導帶中的電子是次要載流子。

根據能帶理論，被接受電子的能量（“受主能級”）略高於價帶的能量。來自價帶的電子很容易達到這個水平，在價帶留下空穴。下圖顯示了本徵、n型和p型半導體的能帶。

Energy bands in intrinsic, n-型別和p-型別半導體。

p型(p-type)和n型半導體(n-type semiconductor)的區別

摻雜劑

在p型半導體中，摻雜劑是Ⅲ族元素。

在n型半導體中，摻雜劑是IV族元素。

摻雜行為：

在p型半導體中，摻雜原子是受體：它們吸收電子併在價帶中產生空穴。

在n型半導體中，摻雜原子起到施主的作用：它們提供的電子很容易到達導帶。

多數承運人

在p型半導體中，大多數載流子是在價帶中移動的空穴。

在n型半導體中，大多數載流子是在導帶中運動的電子。

多數承運人運動

在p型半導體中，大多數載流子沿常規電流方向移動（從高電位到低電位）。

在n型半導體中，大多數載流子的運動方向與常規電流方向相反。

Image Courtesy:

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