掺杂 (半导体)

在半导体生产中，掺杂是有意将杂质引入本征半导体，以调节其电学、光学和结构特性。 掺杂材料称为非本征半导体。

少量的掺杂原子可以改变半导体的导电能力。 当大约每 1 亿个原子添加一个掺杂剂原子时，这种掺杂被称为低掺杂或轻掺杂。 当添加更多的掺杂剂原子时，大约为万分之一，这种掺杂被称为高掺杂或重掺杂。 这通常显示为 n+（表示 n 型掺杂）或 p+（表示 p 型掺杂）。 （有关掺杂机制的更详细描述，请参阅有关半导体的文章。）掺杂到如此高水平以致于它比半导体更像导体的半导体被称为简并半导体。 如果半导体中掺杂了等量的 p 和 n，则它可以被认为是 i 型半导体。

在磷光体和闪烁体的背景下，掺杂更广为人知的是激活； 这不应与半导体中的掺杂激活相混淆。 掺杂也用于控制某些颜料的颜色。

半导体中杂质（掺杂）的影响在诸如晶体无线电探测器和硒整流器等设备中的经验早已为人所知。 例如，1885 年的 Shelford Bidwell 和 1930 年的德国科学家 Bernhard Gudden 各自独立地报告说，半导体的特性是由于它们所含的杂质。 第二次世界大战期间，在 Sperry Gyroscope 公司工作的 John Robert Woodyard 正式开发了一种掺杂工艺。 尽管其中没有使用“掺杂”一词，但他在 1950 年发布的美国专利描述了将元素周期表中氮柱中的微量固体元素添加到锗中以生产整流器件的方法。 他在雷达方面的工作要求阻止了 Woodyard 进一步研究半导体掺杂。

Gordon K. Teal 和 Morgan Sparks 在贝尔实验室进行了类似的工作，并于 1953 年获得了美国专利。

Woodyard 的先前专利被证明是 Sperry Rand 广泛诉讼的理由。

所用掺杂剂的浓度会影响许多电性能。 最重要的是材料的载流子浓度。 在处于热平衡状态的本征半导体中，电子和空穴的浓度是相等的。 那是，

n = p = n i 。 {\displaystyle n=p=n_{i}.\ }

在热平衡下的非本征半导体中，关系变为（对于低掺杂）：

n 0 ⋅ p 0 = n i 2 {\displaystyle n_{0}\cdot p_{0}=n_{i}{2}\ }

其中 n0 是导电电子的浓度，p0 是导电空穴浓度，ni 是材料的本征载流子浓度。 本征载流子浓度因材料而异，并且取决于温度。 例如，硅的 ni 在 300 开尔文（大约室温）下约为 1.08×1010 cm−3。

通常，由于载流子浓度较高，掺杂增加会导致电导率增加。 退化（非常高掺杂）的半导体具有与金属相当的导电水平，通常用于集成电路中作为金属的替代品。 通常使用上标加号和减号来表示半导体中的相对掺杂浓度。 例如，n+ 表示具有高且通常退化的掺杂浓度的 n 型半导体。 类似地，p- 表示非常轻度掺杂的 p 型材料。 即使是退化的掺杂水平也意味着相对于基础半导体的杂质浓度较低。 在本征晶体硅中，大约有 5×1022 个原子/cm3。 硅半导体的掺杂浓度范围可能在 1013 cm-3 到 1018 cm-3 之间。 高于约 1018 cm-3 的掺杂浓度在室温下被认为是退化的。 简并掺杂的硅含有一定比例的杂质与硅，其数量级为千分之几。 在非常轻度掺杂的硅中，该比例可以降低到十亿分之一。 典型的浓度值落在这个范围内的某个地方，并被定制以在半导体预期的设备中产生所需的特性。

在良好的晶体中掺杂半导体会在带隙内引入允许的能态，但非常接近与掺杂剂类型对应的能带。 换句话说，电子供体杂质在导带附近产生状态，而电子受体杂质在价带附近产生状态。 这些能态与最近的能带之间的差距通常称为掺杂位结合能或 EB，并且相对较小。 例如，硅体中硼的 EB 为 0.045 eV，而硅的带隙约为 1.12 eV。