本征半导体与外延半导体的区别

计算机、互联网、智能手机和平板电脑服务只是使用半导体的电子设备的一些例子。在现代世界，它们被广泛使用。没有半导体，所有这些设备都无法生产。托马斯·约翰·西贝克于 1821 年首次发现了与半导体相关的效应。早在 1830 年代，实验室就对半导体进行了研究。迈克尔·法拉第于 1833 年进行了硫化银实验，发现硫化银的导电性随温度升高而增加。与铜等金属在温度升高时导电性下降不同，硫化银的行为恰恰相反。

导电的材料，介于绝缘体和导体之间，称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体的导电速度较慢。半导体材料的电学特性介于绝缘体和导体之间。最好的半导体是 Si 和 Ge。基本上，根据纯度，半导体分为两类：外延半导体和本征半导体。外延半导体含有杂质，而本征半导体是纯净的半导体。外延半导体的室温电导率最低，而本征半导体的电导率最低。在绝对零度时，本征半导体的价带完全充满，而导带完全为空。如果施加一定的温度，价电子会跃迁到导带，并在价带留下空穴。因此，随着温度升高，电阻减小，电导率增加。我们引入杂质来增加半导体中自由电子和空穴的数量。

本征半导体

本征半导体是指极其纯净的半导体。根据能带理论，该半导体在室温下的电导率为零。本征半导体包括 Si 和 Ge。

下面的能带图显示，导带是空的，但价带完全充满。一旦温度升高，就会提供一些热能。结果，电子从价带跃迁到导带。电子在从价带移动到导带时会随机移动。此外，晶体中的空穴可以自由地朝任何方向移动。

因此，该半导体的 TCR（温度系数）为负。TCR 显示电阻减小，电导率随温度升高而增加。

外延半导体

外延半导体是指以可控速率掺入杂质以使其导电的半导体。本征半导体和外延半导体都可以通过掺杂本已绝缘的材料来制造。

掺杂的效果是将外延半导体分为两类：具有额外电子的原子（n 型，来自 V 族），和具有较少电子的原子（p 型，来自 III 族）。掺杂是故意添加杂质到极纯净或本征半导体中，以改变其电学性质。杂质的种类取决于半导体的类型。外延半导体具有轻度至中度的掺杂量。

掺杂

掺杂是指向半导体添加杂质的过程。为了生产外延半导体，必须严格控制添加到材料中的杂质的类型和数量。在大多数情况下，每 108 个半导体原子添加一个杂质原子。

杂质用于增加半导体晶体中自由电子或空穴的数量，使其更具导电性。如果向纯半导体添加具有五个价电子的五价杂质，将会有大量的自由电子。如果添加具有三个价电子的三价杂质，半导体中将存在大量的空穴。半导体的电导率通过掺杂来改变。半导体通常由周期表中的第四族元素（如锗和硅）制成。可以向硅和锗的四价晶体中添加以下两种类型的掺杂剂。磷（Pi）、锑（Sb）、砷（As）等价为五价的原子是五价原子的例子。铝（Al）、铟（In）、硼（B）等三价元素是例子。周期表中与第四族相邻的第三和第五族分别由五价和三价掺杂剂组成。因此，这些原子的尺寸与第四族元素的原子尺寸基本差别不大。

根据注入杂质的类型，外延半导体分为两类：N 型和 P 型。

外延半导体类型

N 型半导体

N 型半导体（外延半导体）允许掺杂原子向主体材料（例如，硅中的磷）提供更多的传导电子。这会导致过量的负（n 型）电子电荷载流子。通常，掺杂原子的价电子比主体原子多一个。最常见的情况是在 IV 族固体中取代 V 族元素原子。当主体具有多种原子类型时，问题会变得更棘手。例如，在 III-V 族半导体（如砷化镓）中，硅在取代砷时可以作为受主，在取代镓时可以作为施主。一些施主，包括在大多数固体中是施主的碱金属，具有比主体更少的价电子。

P 型半导体

当加入掺杂剂时，会除去（接受）具有弱结合外层电子的半导体原子。这种掺杂剂也称为受体材料。空穴是电子留下的空白。P 型掺杂的目的是产生大量的空穴。在硅的情况下，三价原子会取代晶格。因此，通常构成硅晶格的四个共价键中，有一个缺少一个电子。结果，掺杂原子可以接受来自附近原子的共价键的电子，以完成第四个键。这些掺杂剂被称为受体。

当掺杂原子接受电子时，邻近原子会失去一半的键合，从而形成一个空穴。通过每个空穴与附近带负电的掺杂离子之间的连接，可以得到一个电中性的半导体。一旦每个空穴在晶格中游走，该原子的一个质子就会“暴露”出来，这意味着它不再被电子抵消。这个原子（有四个质子）的原子核除了三个电子外，还会有一个空穴。因此，空穴作为正电荷。当有足够的受体原子时，由空穴产生的数量大大超过了热激发电子的数量。在 P 型材料中，空穴是主要的载流子。

外延半导体和本征半导体主要区别如下：

• 外延半导体是通过在纯半导体中掺入杂质而产生的，而本征半导体始终处于最纯净的状态。
• 外延半导体在室温下具有比其他材料高的电导率，而本征半导体电导率低。
• 在本征半导体中，电子和空穴的数量相等，但外延半导体则不如此。
• 本征半导体的行为仅取决于温度，而外延半导体受温度和杂质数量的影响。
• N 型和 P 型半导体是外延半导体的两种类型，而本征半导体不进一步细分。
• 本征半导体的例子包括硅和锗。

外延半导体的应用

大多数电子设备主要由外延半导体构成。以下是一些例子：

• 电子设备需要特定的单向电流流，因此在其中安装了二极管。
• 当 P 型和 N 型半导体结合时，会形成 P-N 结。
• 双极结型晶体管和场效应晶体管都使用外延半导体。
• 大多数外延半导体用作开关。