在前一篇文章中，我介绍了MOS的工作原理。许多学生私下问我什么是N型和P型半导体，以及如何实现其导电特性。今天，我将带你去讨论它。

半导体材料领域有两个虚张声势的术语“N型半导体”及“P型半导体"，为什么要用半导体？它的工作原理是什么？

所谓半导体，顾名思义，它是导电性介于导体和绝缘体之间的物质。半导体设备在电路中是必不可少的。为什么要使用导电性差的物质？如果你只看导电性，金属比半导体好得多。半导体的有趣之处在于，它可以根据不同的条件决定是否通过电流。金属无法控制电流，而半导体可以利用其特性进行整流或控制。

一、本征半导体&杂质半导体

①本征半导体。非常纯净的单晶半导体被称为本征半导体。半导体装置半导体材料的纯度应达到99.99999%，通常称为“999”。它在物理结构上呈单晶形状。常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。

纯Si晶体

硅（Si）原子核周围有14个电子，最外层轨道上有4个电子。连接方式为原子核共用电子对，原子核周围有8个电子。一般来说，本征半导体相邻原子之间有稳定的共价键，导电性不强。然而，共价键中的电子并不像绝缘体中的电子组合那样紧密。由于能量刺激（如光和温度变化），一些电子可以摆脱原来的束缚，成为自由电子（导电性将大大提高，热敏电阻、光敏电阻等设备可以利用这一特性制造）。在单晶硅中，我们发现每个自由电子的出现都伴随着一个空穴，即自由电子的数量与空穴的数量相同。这种半导体被称为本征半导体。

本征半导体的导电机制：在获得一定的能量(温度升高或光照)后，价格电子可以挣脱原子核的束缚，Si成为自由电子(带负电)，同时在共价键中留下空位，称为空穴(带正电)。这种现象被称为本征激发。温度越高，晶体中电子生产的自由电子越多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价格电子来填充，而在原子中出现一个空穴，相当于空穴的运动(相当于正电荷的运动)。

②杂质半导体。在本征半导体中掺入微量杂质后(添加杂质的过程称为掺杂)，半导体的导电性可以显著改变，导电性可以增加几十万甚至几百万倍。利用这一特性，可以制造二极管、三极管等半导体器件。掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(杂质半导体导电机制见第二部分)

小知识：半导体的三个导电特性。①热敏度：当环境温度升高时，导电性显著增强（可制成温度敏感元件，如热敏电阻）；②光敏:当受到光照时，导电性会发生显著变化(可制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等各种光敏元件)。③掺杂性：将某些杂质混合到纯半导体中，导电性发生显著变化（可制成二极管、三极管、晶闸管等不同用途的半导体器件）。

二、辩一辩“二”p型半导体和n型半导体”

根据杂质的类型(以上还提到了三价或五价元素，即P、N类型的根源)，半导体分为P型半导体和n型半导体。为了用作电子元件，在芯片中制作p型和n型结，这种与导体和绝缘体完全不同的导电特性是由其内部结构和导电机制决定的。让我们以硅半导体为例，争论p型半导体和n型半导体。

↑↑PN结的主要工艺过程采用硅平面工艺制备

知识：半导体载流子半导体载流子是半导体中的电流载体。在物理学中，载流子是指带电荷的物质颗粒，如电子和离子，可以自由移动。在半导体中，有两种载流子。电子和电子丢失导致共价键上留下的空间（空洞，也称为电洞，在固体物理学中指共价键上丢失电子，最终在共价键上留下空间）被视为载流子。载流子在电场力作用下的运动称为漂移运动，载流子定向漂移运动形成电流。

①n型半导体

硅是第IV族元素。当添加少量杂质磷（或锑）的硅晶体（或锗晶体）时，每个P原子使用其5个价格中的4个与相邻的4个SI原子形成化学键。多余的电子可以在室温下成为自由电子，留下一个不能移动的P正离子。这里的P原子称为给体原子。n-“型半导体，”N“表示负电，指载带负电荷的流子，取自英文Negative的第一个字母。

n-将部分Si原子替换为型半导体P(磷)等原子↑↑。箭头指的是这种电子形态处于“多余”状态。这叫自由电子。只要增加电压，就会被吸入 极，变成自由运动(可通过电流)的状态。

N半导体含有高浓度的自由电子，其导电性主要是由于自由电子导电。在N型半导体中，自由电子是大多数载流子，主要由杂质原子提供，空穴是由热刺激形成的少数载流子。杂质越多，多子（自由电子）浓度越高，导电性越强。

n型半导体小总结：n型半导体又称电子型半导体。n类型半导体是一种杂质半导体，自由电子浓度远大于空穴位浓度。n型半导体是将5族元素杂质混合在单晶硅中，多子为电子。

②p型半导体

硅晶体(或锗晶体)中掺入少量杂质硼(或铌)，由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键，会产生一个“空穴”，可能会吸引束缚电子“填充”，使硼原子成为负电离子。这样，这种半导体含有较高浓度的“空穴”(相当于正电荷)，P是positive的首字母)，成为导电物质。

P将部分Si原子替换为型半导体B(硼)等原子↑↑。箭头是指没有电子的“空位”状态。这种空位称为空穴。也就是说，空穴中没有实体，也叫虚拟粒子。

在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。这种半导体的导电性主要取决于带正电荷的空穴的迁移。类似地，空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热刺激形成。杂质越多，多子（空穴）浓度越高，导电性越强。杂质越多，多子（空穴）浓度越高，导电性越强。

P型半导体小总结：P空穴型半导体又称空穴型半导体。P类型半导体是杂质半导体，空穴浓度远大于自由电子浓度。p型半导体掺入三族杂质，多子为空穴。无论是P型还是N型，对外都是中性的，不显电性。

③没有自由电子的p型半导体如何导电？

p类型半导体的导电原理如下图所示。在外部电压的作用下，电子被吸入+极并移动到附近的空穴。因此，电子运动后的空地成为一个新的空穴，旁边的电子将再次移动。通过这样的重复，在电子方向 在极移动的同时，它看起来像一个空穴向-极移动。在这个过程中，电子是实际移动的，但空穴可以视为带 电荷颗粒。

↑↑它看起来像一个空穴位移动，但实际上是电子在跑步

↑↑pn型半导体电子和空穴在半导体内的运动示意

④pn结的形成原理

半导体中的载流子有两种运动：扩散运动和漂移运动。扩散运动是指在电中性半导体中，载流子从高浓度区域向低浓度区域运动；漂移是指载流子在电场作用下的定向运动。扩散的结果是空间电荷变宽，内电场越强，漂移越强，漂移是空间电荷区变薄。相反的扩散和漂移运动最终达到动态平衡，空间电荷区厚度固定不变，空间电荷区称为pn结。此时，它不导电，当我们添加电压时...请参见下面的视频解释。

多子扩散，少子漂移

⑤pn单向导电性结

p型半导体和n型半导体都可以通过电流，但不像金属那么容易通过电流，所以如果只是为了通过电流，就不需要使用半导体。半导体的特点是可以根据条件通过或不通过电流。

由于pn结的单向导电性，可以作为制造半导体二极管和三极管的基础常用的稳压二极管、光电二极管、发光二极管等电子元件（LED）等。

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