为什么掺杂会是金属性变为半导体

~ 自界物质按导电能力分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，是一种功能材料，其导电性依赖于电荷载流子，如电子和空穴。在室温下，半导体的电阻率通常在10^-5至10^7欧·米之间，其导电性可通过掺入杂质或受光照、射线辐照等方式发生显著变化。例如，1906年制成的碳化硅检波器，以及1947年发明的晶体管，都是半导体材料作为独立材料领域的早期应用。
半导体材料的导电性对某些微量杂质非常敏感，纯净度高的半导体材料被称为本征半导体。在室温下，本征半导体的电阻率较高，但随着温度的升高，其电阻率会减小。通过掺入适当的杂质，可以显著降低材料的电阻率，从而改变其导电性。这种掺杂后的半导体被称为杂质半导体。根据掺杂的杂质类型，半导体可以分为N型（导带电子）和P型（导带空穴）半导体。相同类型的半导体接触（形成PN结）或半导体与金属接触时，由于电荷载流子浓度差，会在接触处形成势垒，这种接触具有单向导电性，可以用来制造二极管、三极管、晶闸管等半导体器件。
半导体材料的特性参数，如禁带宽度、电阻率、载流迁移率、非平衡载流子的寿命和位错密度，对其导电性能有重要影响。禁带宽度由半导体材料的电子态和原子的组态决定，反映了材料中原价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流迁移率反映了材料的导电能力，而非平衡载流子的寿命则反映了半导体材料在外界作用（如光或电场）下的内部载流子从非平衡状态到平衡状态的过渡特性。位错密度是衡量半导体单晶材料晶格完整性的一种指标。
在半导体材料的制备过程中，提纯是关键步骤之一。提纯可以通过物理方法（如真空蒸发、区域精制、拉晶提纯）或化学方法（如电解、络合、萃取、精馏）来实现。由于每种方法都有其局限性，实际生产中通常会结合多种提纯方法来获得符合要求的材料。
在工业生产中，外延技术是制造半导体器件的重要手段。外延技术包括气相外延、液相外延、固相外延和束流外延等。这些技术可以用来生产具有特定微结构的半导体材料，如量子阱和超晶格。
半导体材料不仅可以是单元素，还可以是化合物，如砷化镓（GaAs）或磷化铝铟镓（AlGaInP）。合金半导体材料，如锗硅（SiGe）或砷化镓铝（AlGaAs），也是常见的半导体材料。这些材料的能带宽度可以通过掺杂来控制，从而改变其导电性能。
半导体材料的能带结构决定了它们的电特性。与绝缘体相比，半导体的能带宽度较窄，因此价带中的电子更容易获得足够能量跃迁到导带，从而导电。通过掺杂，可以在半导体中引入足够的载流子，使其表现出类似金属的导电性。半导体材料的这些特性使其成为电路元件的理想选择，例如晶体管、电阻器、电容器、发光二极管（LED）和光探测器等。这些元件在基础科学研究和商业应用中都扮演着至关重要的角色。

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鄱阳县18276114030： 如果在金刚石中掺入少量的硼或者氮,它就会变成半导体.为什么? - ？
捷庞血滞： 半导体器件中包含p型和n型两种半导体.P型半导体指本征半导体(纯净未掺杂的半导体)中掺入三价元素杂质,如硅中掺入杂质硼,这样的半导体中多数载流子是空穴;N型半导体指本征半导体中掺入五价元素杂质,如硅中掺入杂质磷,这样的半导体中多数载流子是电子.当p型半导体与n型半导体接触时会在接触面上形成pn结,即是PN结二极管.双极结型晶体管也就是BJT、三极管,其原理都是以PN结为基础的.元素周期表中,C和Si同族,故在金刚石中掺入少量的硼或者氮,它就会变成半导体.

鄱阳县18276114030： 本征半导体为什么加五价磷就能变成N型半导体? - ？
捷庞血滞： 楼主您好.本征半导体中,空穴和电子数目相等,是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体,实际的半导体由于缺陷、掺杂等各种原因,根据导电机制不同划分为n型和p型半导体;而本征半导体的掺杂有这么几个原则:掺杂高价元素(施主杂质),可以提供更多的电子,导致本征半导体中的电子-空穴对平衡移动,空穴减少,成为n型半导体.而掺杂低价元素(受主杂质),导致半导体中电子数目减少,相应空穴数目增多,成为p型半导体.总结来说,与本征半导体本身的价态有关,如果在Si半导体中,楼主提到的五价元素掺杂可以使Si成为n型半导体;掺杂三价元素会成为p型半导体.

鄱阳县18276114030： 为什么本征半导体导电性会变差 - ？
捷庞血滞： 1、这么说不太严谨,对于不同种材料,比如Si和GaN,本征Si的导电性要比低掺杂GaN的好. 2、对于同一种半导体,掺杂之后在常温下杂质电离的载流子比本征电离的要多,所以掺杂半导体导电性比本征好. 3、对于一块掺杂的半导体,随温度的升高,而其缉单光竿叱放癸虱含僵本征电离加剧,当本征电离产生的载流子高于杂质电离时,可以认为才是半导体就是一块本征半导体,而温度升高载流子受到晶格散射的影响也会加剧,所以导电性会变差,而更致命的是此时半导体的导电类型发生了变化,对于一般靠PN结组成的器件,这会导致器件的失效.

鄱阳县18276114030： 为什么具有金属性质与非金属性质的元素能做半导体,如硅 - ？
捷庞血滞： 就是在金属能带理论中,金属禁带宽度最小,半导体其次,绝缘体最大. 宽度大说明电子不能或者不易跃迁,小则相反,所以半导体一般就位于之间喽,不过也不是一定如此,如果s与p轨道相距很近也是可以导电的.

鄱阳县18276114030： 在N型半导体中如如果参入足够的三价元素,此时N型半导体会不会改型成P型半导体? - ？
捷庞血滞： 会的,而且是简单的加减关系,比如你掺杂100个5价变成N型,基本上你掺杂101个三价就变成P型.

鄱阳县18276114030： 1.金属导电与半导体导电有什么区别? 2.如果一个纯净的半导体中,既加入受主杂质又加入施主杂质,它会变成 - ？
捷庞血滞： 导电与否如果用能级的方式或许比宏观描述更简单些理解. 物质有能带,也就是把其核外电子的轨道划分为几个层次.决定导电与否的能带是导带.最外层电子所在的能带叫价带.事实上无论是什么物质,其最外层的电子都是存在在电场的作用下定向移动的能力的.只不过金属中的价带与导带间无间隙,所以价电子容易进入导带而形成导电现象.半导体的能隙较窄,可以通过温度控制等方法缩短能隙,使得价电子进入导带进行导电.

鄱阳县18276114030： 金刚石与晶体硅结构相似,为什么晶体硅能导电,是半导体材料?金刚石不能 - ？
捷庞血滞： 要从硅原子和碳原子的电子排布来说明,硅原子是第三周期元素,从其电子轨道来看,有空的3d轨道,因此,在成键后,电子有自由移动的空间,但需要能量.所以是半导体

鄱阳县18276114030： 为什么要在金属与非金属元素交接处找半导体材料? - ？
捷庞血滞： 金属与非金属元素交接处性质也在金属与非金属元素之间,为二者的过渡,也就是半导体,所以要在金属与非金属元素交接处找半导体材料.当然,这个工作现在已经取得了相当丰硕的成果.

鄱阳县18276114030： 怎么使N型半导体变成P型半导体?什么条件下可以使N型半导体变成P型半导体?？
捷庞血滞： N型半导体就是导电载流子是电子,P型半导体就是导电载流子是空穴. N型半导体中之所以是电子导电是因为其在本征半导体基础上进行了施主掺杂(例如在本征Si中掺入5价的磷元素) 而P型半导体中之所以是空穴导电是因为其在本征半导体基础上进行了授主掺杂(例如在本征Si中掺入3价的硼元素) Si为4价 所以假设要想把磷掺杂量为X的N型半导体转为P型当然就是在此N型半导体中掺入大于X量的磷(当然具体掺杂量与工艺及材料有关) 半导体的掺杂等工艺要在超净间中进行,掺杂是半导体工艺中的一步,主要的掺杂方法有离子注入和热扩散

鄱阳县18276114030： 人们为什么可以在金属元素和非金属元素的交界处寻找半导体的理论依据? - ？
捷庞血滞： 金属一般是导电的,固体非金属一般不导电,介于两者之间的自然就是半导体.