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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 材料综合 » 材料物理 » N型半导体为什么“导带中有较多的电子(多数载流子)”，重点在导带上？
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zsw15

禁虫 (正式写手)
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11楼2016-07-16 09:12:59
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ielts_toefl

木虫 (小有名气)
引用回帖:
8楼: Originally posted by 伽鲁特 at 2016-07-15 21:35:16
我来回答一下，首先你要清楚一个概念，就是半导体体材料中带正电的电荷和带负电的电荷是相等的，但这里所说的带正电的电荷和带负电的电荷却不一定是电子和空穴。电子和空穴是能参与晶体中电子共有化运动的电荷，但对 ...

您说的很好。但是，我还是有疑问：您以故意掺杂的N型半导体为例，施主杂质电离后产生了一个可以自由移动的电子，那这个电子原先待的位置(物理位置，空间位置)不就剩下的是一个”空穴“了吗？  为什么你说”不是空穴，因为周围没有与其性质相同的正电荷“？ 再次谢谢解答
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12楼2016-07-16 21:47:30
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伽鲁特

至尊木虫 (著名写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
ielts_toefl: 金币+5, ★★★★★最佳答案, 你说的太形象了，而且你这份认真态度，很让我感动。 2016-07-17 17:39:50
引用回帖:
12楼: Originally posted by ielts_toefl at 2016-07-16 21:47:30
您说的很好。但是，我还是有疑问：您以故意掺杂的N型半导体为例，施主杂质电离后产生了一个可以自由移动的电子，那这个电子原先待的位置(物理位置，空间位置)不就剩下的是一个”空穴“了吗？  为什么你说”不是空穴 ...

咱们以最常见的Si为例，一个si原子周围提供4个电子参与共有化运动，如果是本征激发（即不是通过杂质电离产生空穴电子对），那么当外界给与的激发能量达到一定程度后（比如温度高到一定程度），这四个电子就会有一部分电子（数量上服从费米统计分布）获得更高的能量，也就是处于导带。那么，以一种好理解的方式去简单的描述，4个电子有一个去了导带，留下一个空位，这个空位就很容易被临近的原子周围那些没有被激发的电子再重新占据，这就行程了电子在不同原子周围来回跑，然后形象的看做是空位来回跑，这个就是空穴。那我再解释一下杂质电离那个局域化的位置虽然行程了正电荷但为什么不叫空穴。这回以n型si为例，行程型si可以通过p元素（磷）掺杂实现，我们知道，p本身外层有5个电子，如果有一个p原子占据了si原子的位置（通过掺杂工艺来实现），那p原子有4个电子的作用和原来的那个si原子是一样的，但多出来一个电子没法与周围的其它原子的外层电子行程共价键（可以参考高中化学的理解），那这个没成键的电子就相对来说更容易“脱离组织”，在半导体体材料中，你可以这样理解，被束缚住的电子具有较低的能量，而解脱这个束缚需要外界提供能量，被束缚的越松，相当于电子具备越高的能量，越接近自由电子。那么，掺进去的那个p原子的第五个电子的能量就比较高，在能带图中，它的位置也就比较靠上，位于禁带中比较靠近导带的位置（而不是像si原有的那些电子老老实实的待在价带中），它属于那种给点阳光就灿烂的，稍微给点外界激励能量，那第五个原子能量就更高了，就变成了处于导带的状态了。那它激发后留下的那个空位，可不是谁都能坐的，空着带正电荷不假，但你得有人家电离之前那么高的能量才能进到人家那个空位上去，而掺杂进去的p原子一般离得都很远，比如，掺杂浓度是e19，是指没立方厘米有10的19次幂个p原子，而每立方厘米有多少个si原子呢，大概是e22量级的，也就是说单位体积上si原子的数量大概是p原子的1000倍，那么单位长度上si原子的数量就是p原子的10倍，也就是一条线上平均每看到10个si原子才能看到一个p原子，这就是我之前说的，掺杂进去的原子是孤独的。那p原子周围的si原子外层电子的能量不足以占据那“第五个空位”，而“够资格”的其它p原子又离得太远，所以那个空位如果一旦行程，就不太容易被再次填充，而它放走的孩子就野了，在导带上随便跑，这就形成了一种现象，n型半导体导带上的电子特别多，但由于很多是由杂质电离行程的，那些电离后的空位比较孤僻，不参与共有化运动，对导电没什么贡献，也就不算空穴。但它确实是正电荷，也就是说一个萝卜一个坑，总数上肯定是没错的。而导带上的电子无论是怎么跑上去的，它们运动起来都没区别，无论是从价带上去的（本征电离，亲妈生的）还是杂质能级上去的（杂质p原子电离，后妈生的），上去后都一样。艾玛，好累

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ielts_toefl mydawn
13楼2016-07-16 23:06:15
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ielts_toefl

木虫 (小有名气)
送红花一朵
引用回帖:
13楼: Originally posted by 伽鲁特 at 2016-07-16 23:06:15
咱们以最常见的Si为例，一个si原子周围提供4个电子参与共有化运动，如果是本征激发（即不是通过杂质电离产生空穴电子对），那么当外界给与的激发能量达到一定程度后（比如温度高到一定程度），这四个电子就会有一部 ...

送你一朵小红花。。。另外，我对你几乎完美的回答，还有一个小小的疑问：你说的N型半导体  ”掺进去的那个磷原子的第五个电子的能量就比较高，在能带图中，它的位置也就比较靠上，位于禁带中比较靠近导带的位置（而不是像si原有的那些电子老老实实的待在价带中），它属于那种给点阳光就灿烂的，稍微给点外界激励能量，那第五个原子能量就更高了，就变成了处于导带的状态了“，为什么不能是 掺进去的那个磷原子的第五个电子的能量就比较高，在能带图中，它的位置也就比较靠上，位于【导带之中】，这个电子 不用稍微给点外界激励能量，就已经很灿烂地在 【导带】上面跑来跑去 了？ 谢谢！
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14楼2016-07-17 17:43:55
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mydawn

铁杆木虫 (著名写手)
送红花一朵
引用回帖:
13楼: Originally posted by 伽鲁特 at 2016-07-17 00:06:15
咱们以最常见的Si为例，一个si原子周围提供4个电子参与共有化运动，如果是本征激发（即不是通过杂质电离产生空穴电子对），那么当外界给与的激发能量达到一定程度后（比如温度高到一定程度），这四个电子就会有一部 ...

听君一言 甚读十年骈文。 有个问题想进一步咨询。比如经典的n-TiO2，理论上来说是本征的，但是在实际上却因为TiO2-x的存在而形成n型。在这个过程中可否这样理解：部分Ti3+存在于TiO2中，也就是（Ti4+ + e-）的组合在CB之下形成了施主能级，从而造成n型。这是第一个问题。

第二个问题。如果往TiO2里面掺杂低价太金属离子，比如Mg2+，应该属于p型掺杂（按照文献），但是为什么Mg2+却不被考虑为（Mg4+ + 2e-）的组成，形成更强的n型掺杂呢？

烦请指教。
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15楼2016-07-17 21:05:34
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伽鲁特

至尊木虫 (著名写手)
引用回帖:
14楼: Originally posted by ielts_toefl at 2016-07-17 17:43:55
送你一朵小红花。。。另外，我对你几乎完美的回答，还有一个小小的疑问：你说的N型半导体  ”掺进去的那个磷原子的第五个电子的能量就比较高，在能带图中，它的位置也就比较靠上，位于禁带中比较靠近导带的位置（而 ...

通过我先前的叙述，你应该能明白p对于si材料是杂质吧，那么它多出来的那个电子对应的就应当是杂质能级。我来解释一下什么是杂质能级，它就是杂质原子中的电子在“未脱离束缚”之前所对应的能量，脱离束缚了，就相当于电子和原子核分开了，也就是所谓的电离。那么我再假设一种极端的情况，也就是绝对零度。你自己来想想所有的电子都处于什么能量状态呢？si的自不必说，都在价带老老实实冻着呢。那么我们单说这个掺杂进来的p原子的第五个原子，人家是富二代，它在绝对零度时，能量就比其它电子高，也就是在禁带之中，一个很靠近导带的孤立能级（非能带）中。但此时，由于是绝对零度，电子全部都停留在自己原有的位置上，但如果此时温度开始升高，那就开始有电子骚动起来，吸收了由于温度升高而提供的能量，电子就变成导带的状态了。如果这时p原子周围的电子获得了能量，那它就跑了，就是电离了。随着温度越高，骚动的电子越来越多，到最后可能就都跑到导带上去了。掺杂工艺完成后，半导体从机器里拿出来时，可能杂质已经在外界环境的温度下完全电离，但其在绝对零度时没电离时对应的那个能量却永远都不变，正所谓，你电离或不电离，能级就在那里，不离不弃（能级只是一种状态，与是否有电子占据没关）

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16楼2016-07-17 21:50:52
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hym1994

木虫 (著名写手)
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13楼: Originally posted by 伽鲁特 at 2016-07-16 23:06:15
咱们以最常见的Si为例，一个si原子周围提供4个电子参与共有化运动，如果是本征激发（即不是通过杂质电离产生空穴电子对），那么当外界给与的激发能量达到一定程度后（比如温度高到一定程度），这四个电子就会有一部 ...

我能说脏话吗？。。。牛逼！

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虽然是湖北人，但是喜欢杭州
17楼2016-07-17 22:18:59
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伽鲁特

至尊木虫 (著名写手)
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15楼: Originally posted by mydawn at 2016-07-17 21:05:34
听君一言 甚读十年骈文。 有个问题想进一步咨询。比如经典的n-TiO2，理论上来说是本征的，但是在实际上却因为TiO2-x的存在而形成n型。在这个过程中可否这样理解：部分Ti3+存在于TiO2中，也就是（Ti4+ + e-）的组合 ...

过奖过奖，我之前的解释也不是很严谨，但只是想以一种深入浅出的方式去便于楼主理解教科书上的经典模型罢了，但实际远不止我说的那么简单。
对于TiO2我不是十分了解，我只能靠经验勉强帮着分析分析。先说mg掺杂吧，既然你告诉我文献里是这么写的，那我就顺坡下驴了。其实这个类似于si掺Al，我们高中化学都学过八电子稳定结构吧，如果是si原子整齐的排列在一起，每个si原子会跟周围的4个哥们各借一个电子，加上自己原有的4个电子（最外层电子），凑成8电子稳定结构。但如果这时候有一个Al原子过来捣乱，它撵走了一个si原子，自己占据人家原来的位置了，那它跟周围的si兄弟借电子，人家也借它，但是每个还是只能借一个电子，但Al原子自己不行啊，它就3个外层电子，加上人家借它的4个，一共才7个，它距8电子稳定结构还差一步之遥，它在自己周围还留下了一个位置等别的原子占据（没人来占坑前，大家都还不带电，不带正电也不带负电）。在绝对零度的条件下，大家也过着相安无事的生活，但一旦外界有刺激，有电子跑出来溜达，就比较容易占据那个空位，这时杂质Al原子就带电了（负电），也就是电离了，而从别处跑来的si原子的电子就在价带上留下了空穴，而Al原子依然是孤独的（道理同n型掺杂），所以它只是带电，但跟导带中的那些电子还不一样。对于你们的TiO2掺mg也一样，它原本姑且理解为Ti为正4价，突然来了个mg，能力不行啊，自己来的时候没带那么多电子，像刚才说的Al一样，那就留下空位了，就容易形成p型。
而你说的第一个问题，我分析是，体材料里很容易形成多晶，大部分还是一夫二妻制，但少部分区域，Ti出现了变异，它不行啊，虽然它名字还叫钛，但它已经不是当年的那个ti了，它自身带的电荷没原来那么多了，就也像Al原子一样。
但你可能要问它怎么就没原来那么多电子了，我前面也说了，我的解释不严谨，只是方便你理解，这里面还要涉及轨道杂化等很多问题，我不是学原子物理那方面的，我只能解释到这个程度了，希望能帮上你的忙

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18楼2016-07-17 22:22:30
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孤独的勇士

木虫 (小有名气)

无敌大BUG
怎么都这么复杂，简单点讲，只有导带上的电子才能移动导电，所以一般都省略导带。详细的可以查看导带，禁带，价带的概念

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十年如梦惊觉醒，原来沧海已桑田
19楼2016-07-17 22:26:44
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伽鲁特

至尊木虫 (著名写手)
引用回帖:
17楼: Originally posted by hym1994 at 2016-07-17 22:18:59
我能说脏话吗？。。。牛逼！
...

你开心就好

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20楼2016-07-17 23:32:04
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