一文说清什么是掺杂！从定义到前沿应用的系统性解析

掺杂的精确定义是在一种半导体材料（或其他材料）中，有控制地引入特定种类的杂质原子或离子的过程，其根本目的是为了调控材料内部的载流子（电子或空穴）浓度，进而改变其电学、光学或磁学等关键性能。

DOI: 10.1002/adma.202003238

理解掺杂，需先掌握几个核心概念：

本征半导体与能带结构：纯净的半导体（如硅、锗）被称为本征半导体。其电学特性由其独特的能带结构决定，该结构包含充满电子的“价带”、基本为空的“导带”，以及两者之间电子无法稳定存在的“禁带”。在本征半导体中，只有少数电子能通过热激发从价带跃迁到导带，形成数量相等的电子和空穴载流子，因此其导电能力非常有限。

载流子：半导体中负责导电的粒子，分为带负电的自由电子和等效于带正电的“空穴”（即价带中失去电子后留下的空位）。掺杂的核心就是选择性地大幅增加某一种载流子的数量。

当杂质原子被引入半导体晶格中时它们会替代原有的半导体原子，并在禁带中形成新的、局域化的能级，从而极大地影响载流子的产生。

DOI: 10.1002/adma.202200885

n型掺杂与施主能级：如果在四价的硅（Si）晶体中掺入五价元素（如磷P、砷As），这些杂质原子被称为“施主”（Donor）。每个施主原子有五个价电子，四个与周围的硅原子形成共价键，多出的一个电子被束缚得很弱。

这个多余电子对应的能量状态，即“施主能级”，位于靠近导带的禁带内。由于其离导带非常近，只需极小的能量（如室温下的热能）就能激发这个电子进入导带，成为自由移动的载流子。这样，材料中带负电的电子数量远超空穴，成为多数载流子，形成n型半导体。

p型掺杂与受主能级：反之，如果在硅晶体中掺入三价元素（如硼B、铝Al），这些杂质原子被称为“受主”（Acceptor）。每个受主原子只有三个价电子，与周围硅原子成键时会缺少一个电子，形成一个空穴。

这个空穴状态对应一个“受主能级”，位于靠近价带的禁带内。价带中的电子很容易被激发并“填充”到受主能级上，从而在价带中留下一个可自由移动的空穴。此时，带正电的空穴成为多数载流子，材料变为p型半导体。

通过精确控制掺杂的种类和浓度，科学家可以使半导体的导电率跨越数个数量级，实现从近乎绝缘体到优良导体的精准调控。

半导体与微电子器件：这是掺杂最经典和核心的应用。通过将n型和p型半导体结合形成p-n结，人类制造出了二极管、晶体管等基本电子元件，进而构建了支撑整个信息时代的复杂集成电路。

DOI:10.1002/cey2.447

光电器件：

• 太阳能电池：无论是传统的硅太阳能电池还是新兴的钙钛矿太阳能电池，掺杂都至关重要。它不仅用于构建分离光生载流子的p-n结，还能通过钝化缺陷、增强光吸收和改善载流子传输，显著提高光电转换效率。例如，研究表明，通过L-精氨酸掺杂，钙钛矿太阳能电池的效率可从18.81%提升至21.86%。

• 发光二极管（LED）与OLED：在LED和有机发光二极管（OLED）中，通过对发光层和电荷传输层进行精确掺杂，可以有效调控电荷注入和复合区域，从而提高发光效率、亮度和色彩纯度。

能源存储设备：锂离子电池与超级电容器：通过对电极材料进行掺杂，可以极大地提升储能设备的性能。例如，对碳材料进行氮（N）、硼（B）掺杂，可以显著提高其作为超级电容器电极的比电容和循环稳定性。对电池正负极材料进行镍（Ni）、钛（Ti）等元素掺杂，能够提高能量密度、改善倍率性能和循环寿命。

掺杂技术远不止是半导体工业的一项传统工艺，它是一种深入物质微观层面、实现性能“按需定制”的强大工具。从宏观的能源解决方案到微观的量子比特，掺杂的作用范围和深度正在不断拓展。

随着材料科学、人工智能辅助设计和纳米加工技术的飞速发展，未来我们有望实现更精准、更智能的掺杂控制。这不仅将持续推动现有电子和光电器件的性能极限，更将为神经形态计算、量子信息和可持续电子学等颠覆性技术的实现铺平道路，继续担当未来科技发展的核心驱动力之一。