圆山中庸 2025-11-22 00:15 采纳率: 97.8%
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What does "doping" mean in semiconductor terminology?

What does "doping" mean in semiconductor terminology? In semiconductor physics, doping refers to the intentional introduction of impurities into an intrinsic semiconductor to modify its electrical properties. Why is doping necessary, and how do donor and acceptor atoms differ in creating n-type and p-type semiconductors? Explain the impact of doping concentration on carrier mobility and conductivity.
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  • 请闭眼沉思 2025-11-22 08:45
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    半导体中的“掺杂”（Doping）技术详解

    1. 什么是半导体中的“掺杂”？

    在半导体术语中，“doping”（掺杂）指的是有意识地向本征半导体（intrinsic semiconductor）材料中引入微量杂质原子，以改变其电学特性。这些杂质通常是三价或五价元素，例如磷（P）、砷（As）作为施主，硼（B）作为受主。

    • 本征半导体如纯硅（Si）或锗（Ge），其导电能力非常有限。
    • 通过掺杂，可显著提升载流子浓度，从而增强导电性。
    • 掺杂是现代半导体器件制造的核心工艺之一。

    2. 掺杂的必要性与物理机制

    本征半导体在室温下产生的电子-空穴对数量极少，无法满足实际电子器件的需求。因此必须通过掺杂来：

    1. 提高自由载流子密度（电子或空穴）；
    2. 控制材料的导电类型（n型或p型）；
    3. 构建p-n结、晶体管沟道等关键结构；
    4. 实现电流调控、开关和放大功能。

    从能带理论看，掺杂会在禁带中引入新的能级：施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。

    3. 施主与受主原子的区别及n型、p型半导体形成机制

    类型掺杂元素能级位置主要载流子形成机制
    n型五价元素（如P, As）靠近导带底的施主能级电子施主原子提供多余电子进入导带
    p型三价元素（如B, Ga）靠近价带顶的受主能级空穴受主原子接受价带电子产生空穴

    4. 掺杂浓度对载流子迁移率与电导率的影响

    掺杂浓度直接影响半导体的电学性能，具体体现在以下两个方面：

    // 简化电导率公式
σ = q * (n * μₙ + p * μₚ)
其中：
q：电子电荷量
n, p：电子与空穴浓度
μₙ, μₚ：电子与空穴迁移率
    • 随着掺杂浓度增加，载流子浓度上升，电导率随之提高。
    • 但高掺杂会导致晶格散射增强，迁移率下降，呈现非线性关系。
    • 过度掺杂可能引发“简并化”，使半导体趋近金属行为。

    5. 实际工艺中的掺杂方法与挑战

    1. 扩散法：高温下杂质原子从表面向体内扩散，适用于早期工艺。
    2. 离子注入：精确控制剂量与深度，现代CMOS主流技术。
    3. 原位掺杂：在CVD生长过程中直接引入杂质气体。

    面临的挑战包括：

    • 横向扩散导致短沟道效应；
    • 退火过程中的杂质再分布；
    • 高k介质兼容性问题。

    6. 掺杂在现代器件中的应用实例

    graph TD A[源极/漏极掺杂] --> B[MOSFET器件] C[阱区掺杂] --> B D[p-n结形成] --> E[二极管/太阳能电池] F[多晶硅栅掺杂] --> G[CMOS工艺] H[超浅结技术] --> I[FinFET/GAA晶体管]

    7. 掺杂浓度与迁移率的实测数据对比

    掺杂浓度 (cm⁻³)电子迁移率 μₙ (cm²/V·s)电导率 σ (S/cm)
    1e1413500.0216
    1e1513000.208
    1e1611001.76
    1e1780012.8
    1e1830048.0
    1e19100160.0
    5e1960480.0
    1e2040640.0
    5e20252000.0
    1e21152400.0
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