“掺杂”那些事儿

可以这么说，杂质半导体改变了世界。只要和半导体扯上关系，无论集成的还是非集成，绝大多数都用到了“掺杂”。
改变杂质分布的主要方法有：杂质扩散，离子注入，外延。
杂质原子的掺入改变了半导体的电学特性，才有了各种半导体器件的产生，以及集成电路的发展。
那么，“掺杂”是如何改变半导体的电学特性的呢？
（注：本文多指均匀扩散结）

1.重掺杂时电阻率低，电阻小。
杂质原子的引入改变了电子在有效能量状态上的分布。假设导带底和价带顶有效状态密度不变，那么杂质的引入势必影响到费米—狄拉克概率分布函数所描述的电子分布，从而使费米能级偏离本征费米能级。重掺杂时，平衡多子的浓度剧增，可以近似为杂质浓度，远远超过本征载流子的浓度，从而使半导体的导电能力增强，电导率高，电阻率低，电阻小。

2.重掺杂时空间电荷区会向低掺杂一侧扩展。
对于pn结来说，在冶金结两侧杂质浓度一般不同。在热平衡条件下，载流子的扩散运动产生了内建电势差，进一步形成了空间电荷区，即耗尽层。重掺杂的一侧，载流子浓度高，向低掺杂一侧扩散的载流子也就多，从而在低掺杂侧复合的载流子多，于是低掺杂一侧的空间电荷区较宽，而重掺杂一侧空间电荷区教窄。
典型地，对于单边突变结，如p+n结，空间电荷区几乎扩展在n区一侧。
也就是说，重掺杂时空间电荷区会向低掺杂一侧扩展，重掺杂一侧空间电荷区变窄。

3.重掺杂时内建电势差大，势垒高。
pn结重掺杂时，载流子的扩散运动强，所以扩散的载流子被复合后留下的杂质离子多，从而在热平衡状态下内建电势差较大，在能带图上直观表示为势垒高。

4.重掺杂时禁带宽度变窄。