n 型半導體與 p 型半導體的差異:摻雜物、多數載子、費米能階、遷移率比較

n 型半導體是在矽中加入磷或砷等 V 族雜質(施體),以多出的電子作為多數載子。p 型半導體是加入硼等 III 族雜質(受體),以電子不足所形成的電洞作為多數載子。費米能階在 n 型中偏向導帶側,在 p 型中偏向價帶側。在矽中,電子的遷移率約為電洞的 2 至 3 倍,因此在相同雜質濃度下,n 型的電阻率較低。

項目n 型p 型
添加的雜質(矽)V 族的磷(P)、砷(As)、銻(Sb)III 族的硼(B)。另有銦等
雜質的名稱與作用施體。提供 1 個電子受體。接受 1 個電子,在價帶中產生電洞
離子化雜質的電荷正。固定在晶格中不會移動負。固定在晶格中不會移動
雜質能階(矽)距導帶底部約 0.045 eV(磷)、約 0.054 eV(砷)距價帶頂端約 0.045 eV(硼)
多數載子/少數載子電子/電洞電洞/電子
載子密度(完全離子化時)n ≈ ND,p = ni² / NDp ≈ NA,n = ni² / NA
費米能階比本質費米能階更靠導帶側。濃度越高越接近導帶比本質費米能階更靠價帶側。濃度越高越接近價帶
多數載子的遷移率(低濃度矽,參考值)電子約 1400 cm²/V·s電洞約 450 cm²/V·s
相同濃度下的電阻率低約為 n 型的 2 至 3 倍
在 CMOS 中的使用位置nMOS 的源極、汲極,製作 pMOS 的 n 井pMOS 的源極、汲極,製作 nMOS 的 p 井。CMOS 用的矽晶圓多為 p 型

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

n 型
想讓電子流動時。用於 nMOS 的源極、汲極、npn 電晶體的射極與集極,以及製作 pMOS 的 n 井等。
p 型
想讓電洞流動時。用於 pMOS 的源極、汲極、npn 電晶體的基極,以及製作 nMOS 的 p 井等。
搭配使用
n 型與 p 型接觸便形成 PN 接面,是二極體、電晶體、太陽能電池、LED 等的基礎。在製造中,也會在既有的層中大量加入相反型的雜質,使其型別反轉(反摻雜)。

常見問題

n 型半導體電子很多,整體是否帶負電?

不,整體是電中性的。施體放出 1 個電子後,施體本身會成為正離子留在晶格中,與電子的負電荷互相抵消。p 型也一樣,電洞的正電荷與離子化受體的負電荷互相平衡。

n 型中也有電洞嗎?

有。在熱平衡下,電子密度與電洞密度的乘積等於本質載子密度的平方(n × p = ni²),因此若施體濃度為 1×10¹⁶ cm⁻³,室溫下的電洞密度約為 1×10⁴ cm⁻³。數量雖少,但這些少數載子在 PN 接面與雙極性電晶體的運作中扮演重要角色。

同時加入施體與受體會怎樣?

兩者會互相抵消(補償),變成較多一方的型別。載子密度大致由濃度差決定,但遷移率會因兩種離子化雜質的散射而下降。在井中製作相反型的源極、汲極時,就是利用此性質使型別反轉。

為什麼 n 型與 p 型的費米能階位置不同?

因為費米能階是電子佔據機率為 1/2 的能量,代表載子的分布。在導帶電子多的 n 型中偏向導帶側,在價帶電子缺少、電洞多的 p 型中偏向價帶側。在室溫的矽中,雜質濃度每增加 10 倍,就向能帶邊緣靠近約 60 mV。

理解度檢測

在矽中摻入磷(P)作為雜質時,下列說明何者正確?

  1. A成為以電洞為多數載子的p型半導體
  2. B成為以電子為多數載子的n型半導體
  3. C載子不會增加,仍是本質半導體
查看答案與解析

正確答案:B. 成為以電子為多數載子的n型半導體

磷屬於V族,有5個價電子,在矽(IV族)的共價鍵中會多出1個未被使用的電子。這個電子只是鬆散地束縛在約0.045 eV的淺能階上,因此在室溫下幾乎全部會躍遷到導帶而成為傳導電子。這類雜質稱為施體,會形成n型半導體。此外,砷(As)和銻(Sb)也是施體。若要形成p型,則摻入硼(B)等III族元素(受體)。

在矽中摻入硼(B)作為雜質時,下列說明何者正確?

  1. A電性上不活躍,導電型不變
  2. B作為施體,成為n型半導體
  3. C作為受體,成為p型半導體
查看答案與解析

正確答案:C. 作為受體,成為p型半導體

硼屬於III族,有3個價電子,共價鍵中少1個電子,因此會從周圍接受電子。如此一來價電帶中產生電洞,矽就成為p型。硼是矽中具代表性的受體,其能階距價電帶約0.045 eV,很淺,在室溫下幾乎全部離子化。由於原子輕、擴散快,形成淺接面時會使用低能量植入或BF2的植入。

p型半導體的多數載子為下列何者?

  1. A離子化的受體
  2. B電洞
  3. C電子
查看答案與解析

正確答案:B. 電洞

在p型中,受體從價電帶接受電子而使電洞增加,因此多數載子是電洞,少數載子是電子。離子化的受體是固定在晶格上的負電荷,本身無法移動。不過在空乏層中,這種固定電荷是產生電場與內建電位的主角。在MOSFET中,是在p型基板表面聚集少數載子的電子(反轉)而形成n通道。

  1. 關於n型半導體費米能階的位置,下列何者正確?
  2. 關於矽中磷所形成的施體能階在能隙內的位置,下列何者正確?
  3. 關於佈植到矽中的雜質與導電型的搭配,下列何者正確?

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相關名詞的解說

施體
對半導體提供電子的雜質。對矽而言,是磷(P)、砷(As)等 V 族元素,用來形成 n 型半導體。
受體
從半導體接收電子而產生電洞的雜質。對矽而言,是硼(B)等 III 族元素,用來形成 p 型半導體。
費米能階
電子佔據該能階的機率剛好為 1/2 的能量。n 型偏向導電帶側,p 型偏向價電帶側。
遷移率
施加電場時載子移動的難易程度。在矽中,電子的遷移率比電洞大。
本質載子濃度
不含雜質的半導體中,因熱而產生的電子與電洞的密度(記為 ni)。在矽中室溫下約為 1×10¹⁰ cm⁻³,溫度上升時急遽增加。熱平衡時 n × p = ni² 成立。

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