摻雜 (半導(dǎo)體)

摻雜（英語：doping）是半導(dǎo)體制造工藝中，為純的本征半導(dǎo)體引入雜質(zhì)，使之電氣屬性被改變的過程。引入的雜質(zhì)與要制造的半導(dǎo)體種類有關(guān)。輕度和中度摻雜的半導(dǎo)體被稱作是雜質(zhì)半導(dǎo)體，而更重度摻雜的半導(dǎo)體則需考慮費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律帶來的影響，這種情況被稱為簡并半導(dǎo)體。

載流子濃度

摻雜物濃度對于半導(dǎo)體最直接的影響在于其載流子濃度。在熱平衡的狀態(tài)下，一個(gè)未經(jīng)摻雜的本征半導(dǎo)體，電子與空穴的濃度相等，如下列公式所示：

n=p=n_i

對于非本征半導(dǎo)體在熱平衡的狀態(tài)下，這個(gè)關(guān)系變?yōu)?對輕摻雜而言):

n_0?· p₀=n_i²

其中n₀是半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度、p₀則是半導(dǎo)體的空穴濃度，n_i則是本征半導(dǎo)體的載流子濃度。 n_i會(huì)隨著材料或溫度的不同而改變。對于室溫下的硅而言， n_i大約是1.5×1010cm^-3 。

通常摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會(huì)變得越好，原因是能進(jìn)入導(dǎo)帶的電子數(shù)量會(huì)隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣泛應(yīng)用在今日的集成電路制程來取代部分金屬。高摻雜濃度通常會(huì)在n或是p后面附加一上標(biāo)的“+”號(hào)，例如 n^+?代表摻雜濃度非常高的n型半導(dǎo)體，反之例如 p^-則代表輕摻雜的p型半導(dǎo)體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經(jīng)高到讓半導(dǎo)體退化為導(dǎo)體，摻雜物的濃度和原本的半導(dǎo)體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個(gè)有晶格結(jié)構(gòu)的硅本征半導(dǎo)體而言，原子濃度大約是5×1022 cm^-3，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在1013 cm^-3至1018cm^-3之間。摻雜濃度在1018 cm^-3以上的半導(dǎo)體在室溫下通常就會(huì)被視為是一個(gè)簡并半導(dǎo)體。重?fù)诫s的半導(dǎo)體中，摻雜物和半導(dǎo)體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會(huì)到十億分之一的比例。在半導(dǎo)體制程中，摻雜濃度都會(huì)依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。

摻雜對半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的影響

摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同，本征半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施體原子會(huì)在靠近導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階，而受體原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化。

摻雜物對于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)米能階依然會(huì)保持定值，這個(gè)特性會(huì)引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個(gè)p-n結(jié)的能帶會(huì)彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相同，但是形成p-n結(jié)后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合界面處的能帶差異。

上述的效應(yīng)可以用能帶圖（band diagram）來解釋，如下圖。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費(fèi)米能階，半導(dǎo)體的本征費(fèi)米能階（Intrinsic Fermi level）通常以E_i來表示。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時(shí)，能帶圖是非常有用的工具。

正向偏置下的PN結(jié)，表現(xiàn)為耗盡層變薄。在p端與n端均摻雜1e15/cm3水平，導(dǎo)致內(nèi)在電勢~0.59 V。藍(lán)色實(shí)線代表能帶,紅色虛線代表準(zhǔn)費(fèi)米能級。在p型一側(cè)，準(zhǔn)費(fèi)米能級距價(jià)帶較近；在n型一側(cè)，準(zhǔn)費(fèi)米能級距離導(dǎo)帶較近。