能带结构—p型半导体（1）

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一、金属（半金属），半导体，绝缘体

以上是区分金属，半导体，绝缘体的典型的能带图：

I：如果能带穿过费米能级，也就是价带和导带重叠，没有带隙，导电率很好（如果材料存在磁矩，自旋向上（or向下）存在带隙，半导体性质，但是自旋向下（or向上）没有带隙，金属性质，这种材料现在又称为半金属[J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 4224-4225]。

II: 如果能带没有穿过费米能级，价带和导带之间存在明显的带隙Eg，如果带隙在0.2~3.5 eV之间，则称为半导体，如果提高温度或者通过别的手段，价带上的电子还是有可能进入导带的，并具有一定的电导率。

III：在II的基础上，如果带隙Eg很大很大，价带上的电子很难进入导带，则表现成了绝缘体的性质，半导体和绝缘体本质上是一样的，但是后者带隙会更大。

二、Si, Ge半导体

Si, Ge半导体是每个原子有四个价电子的组成部分，即元素周期表“第四族”中的元素，每个原子有四个价电子。这些价电子中的每一个都能与相邻原子中的一个价电子形成共价键。

所有的价电子都包含在共价键中。严格地说，情况并非如此，根据温度，几个电子可以“破坏”它们的共价键，并参与传导。然而，以一种称为掺杂的方式向半导体中加入少量杂质，可以显著提高半导体的导电能力。加入本征半导体中的杂质称为掺杂剂。掺杂半导体被认为是一种非本征半导体。根据掺杂原子的不同，可以分为p, n型半导体。

三、p型半导体

p型半导体的p取自positive的首字母，也叫空穴型半导体（空穴带正电荷），空穴浓度大于电子浓度。通过在本征半导体中掺杂带有电子受体的原子来产生的，比如原子如Al，B， Ga(为受主杂质)的掺杂等IIIA族元素替代Si或者Ge。铝原子的价电子层有三个电子。此外，硅的价电子层共有四个电子。所以，铝原子的三个价电子与硅原子的三个电子形成共价键,然而，在这种情况下，出现了电子的空位(或空穴)。这个空穴的平移主要是导致p型半导体导电的原因。因此，在这种情况下，载流子是空穴而不是电子。

所以，在p型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,空穴相当于带正电的粒子,在这类半导体的导电中起主要作用.

对于p型半导体，费米能级在本征费米能级之下，并且更靠近价带而不是导带。如下图所示。受主杂质的引入使得在禁带中引入杂质能级，又叫受主能级且在费米能级以下，更靠近费米能级，故而杂质能级上的电子更容易越过费米能级，导致价带上留下空穴，带正电positive，这也是p型半导体p字的由来。

p型半导体能带图

例如：如下左图是黑磷的能带结构，F替代了之后，F作为受体，新的带隙为0.18 eV，价带最大值更靠近费米能级，故而是p型半导体[Journal of Alloys and Compounds 662 (2022) 528-533]

参考《半导体物理学》

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