本征半导体与参杂半导体有什么不同

本征半导体(intrinsic semiconductor)

没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。

本征半导体-特点

这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。

N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。

P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。

注意，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的。

离子注入是离子参杂的一种。

随着VLSI器件的发展，到了70年代，器件尺寸不断减小，结深降到1um以下，扩散技术有些力不从心。在这种情况下，离子注入技术比较好的发挥其优势。目前，结深小于1um的平面工艺，基本都采用离子注入技术完成掺杂。离子注入技术已经成为VLSI生产中不可缺少的掺杂工艺。

离子注入具有如下的特点:

①可以在较低温度下（400℃）进行，避免高温处理；

②通过控制注入时的电学条件（电流、电压）可以精确控制浓度和结深，更好的实现对杂质分布形状的控制。而且杂质浓度不受材料固溶度的限制；

③可选出一种元素进行注入，避免混入其他杂质；

④可以在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层。同一晶片上杂质不均匀性优于1％，且横向掺杂比扩散小的多；

⑤控制离子束的扫描区域，可实现选择注入并进而发展为一种无掩模掺杂技术。

1 晶体参杂如何实现：

通常制备晶体的方法都能用来实现参杂，比如制备微晶或纳米晶常用的固相法，沉淀法，溶胶凝胶法，水热法等。晶体参杂按照参杂离子在晶格中的位置分为：取代参杂和间隙参杂。并非随意一种参杂离子都可以进入母体晶格，取代参杂时参杂离子与母体晶格中被取代离子之间需要满足（1）离子半径相近（2）价态相近才能实现参杂，间隙参杂时参杂离子的半径要比较小，能进入晶格的间隙位置才能实现参杂。问题1中提到的ZrO2中掺杂Y2O3应该是用于稳定氧化锆，抑制氧化锆的晶型转变。这里为了能使Y2O3易于进入ZrO2的晶格，降低结晶温度，通常用液相法来制备，实现原料在原子级别的均匀混合，从而缩短结晶过程中原子的扩散路径，在较低温度下得到参杂的晶体。在该参杂晶体中Y占据Zr的格位（取代参杂），由于Y与Zr的价态不同而引入氧空位。

2 为什么参杂之后形成空穴而不导致晶体结构崩塌

掺杂之后能形成空穴而不导致晶体结构崩塌是由于晶格可以通过晶体承受一定的晶格畸变。但是不同的晶体能承受的晶格畸变有一定的限度，因而参杂是有一定的限度的。取代参杂时，参杂离子与被取代离子的性质（半径，电价等）越接近，取代引起的晶格畸变越小，最大参杂量越大（如一些合金，参杂离子和母体性质很相近时，可以实现无限制固溶，即使参杂浓度达到100%,晶体结构也会保持而不崩塌）。但是间隙参杂由于参杂离子半径通常大于晶格间隙，参杂会引起较大的晶格畸变，因而最大参杂量比较小，如掺C的Fe(金属材料还是大学学的，忘得差不多了，不记得叫啥了，当参杂量到一定值时，生成Fe3C,晶格结构发生改变)。而就ZrO2中掺杂Y2O3而言，能够进入ZrO2中的Y的量是有一个最大值的，也即当原料中的Y超过ZrO2所能容纳的最大值时，多出的Y无法在进入ZrO2晶格而是仍然以Y2O3的形式存在。

掺杂位置不一样。

根据掺杂位置的不同可以将掺杂类型分为间隙式掺杂和替位式掺杂。间隙掺杂，指在间隙中掺杂。 替位掺杂，指在替拉中掺杂。

一般来说间隙掺杂的能量比较高，没有替代掺杂稳定。另外间隙掺杂相当于多挤进一个原子在晶胞里，不管它本身比被替代的原子是大还是小，都应该是晶格发生膨胀，晶胞变大了。

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