理解N型和P型半导体的区别

对半导体的深入理解无疑会对我们的生活产生深远的影响，尤其是面对任何涉及计算机或无线电波的电子设备。这其中的核心往往是硅，因此众多科技巨头会聚集在以硅为名的硅谷。为什么硅会被广泛应用在半导体中？答案源于它的丰富储量和理想的电子结构使其能轻松形成晶体，为电子设备的构建奠定基础。

然而，通过对硅进行掺杂，我们可以制造出两种不同类型的半导体—— N 型和 P 型半导体。

理解 P 型和 N 型半导体

半导体如硅的掺杂是一种特意在纯半导体中引入杂质的过程，其目的是调节半导体的电性、光性和结构性质。当半导体经过掺杂，就从本征半导体转变为了外延半导体。

在硅的掺杂过程中，有两类杂质：一种是 N 类，另一种是 P 类。在 N 型掺杂中，硅中添加微量的砷或磷，这两种元素都拥有五个外层电子，进入硅的晶体结构后，由于第五个电子没有形成键，多余的第五个电子会变得可以自由移动，满足电流通过硅的需求。在 P 型掺杂中，通过使用硼或镓作为掺杂剂，它们每个都只有三个外层电子，混入硅晶格后，就形成了硅原子的价带上的“空洞”。这就意味着，电子在价带上变得可移动，又由于掺杂剂固定在晶格中，当电子移动时，同时也有空洞以相反的方向移动。正是此种特性，我们把这类半导体称为“ P 类”。

区别 N 型和 P 型半导体

最关键的区别在于，N 型硅中，电子携带负电荷，因此称为 N 型，而在 P 类硅中，它是通过电子的缺失来营造出正电荷效果，因此称为 P 型。P 型和 N 型半导体都属于外延半导体。

N 型和 P 型掺杂之间的核心差异在于电子通过半导体沉积层的方向。虽然 N 型和 P 型硅都是良好的电导体，但其实其导电性并不优秀。

在 N 型掺杂中，少量的砷或磷被加入到硅中。这两种元素在外轨道的电子数都是5，所以当它们进入硅的晶体结构时不会显得突兀。由于第五个电子没有形成键，所以便于移动，这样就使电流可以通过硅流动。

在 P 型掺杂中，硼或镓被用作掺杂剂。这些元素的外轨道中都有三个电子。当它们与硅晶格混合时，它们在硅原子的价带中形成“孔”。这意味着价带中的电子变得可移动，而孔则与电子的运动方向相反。由于掺杂剂固定在晶格中，只有正电荷可以移动。正因为如此，这些半导体被称为“P型”（或“P向导性”或“P掺杂”）。

使用 N 型和 P 型硅

利用二极管，我们可以看到当 N 型和 P 型硅放在一起时，结合处会表现出有趣的行为。二极管允许电流只能在一个方向上流动，就像足球场的单向旋转门一样。

总的来说，物质世界中的一切皆源于 P-N 结的性质。N 型硅中有额外的电子，而 P 类一侧的原子需要电子，因此电子通常会迁移过去。这些电子与空穴相结合，互相抵消，形成一个中性的无电荷流动的“耗尽区”。

然而，耗尽区两侧的原子都处于亢奋状态，希望获得电子／摆脱空洞以变得中性。但由于它们位于无电荷流动的耗尽区，它们无法实现这一目标，从而导致了电荷的堆积，形成了阻挡电流通过的屏障。