Co je polovodič typu N?

Co je polovodič typu N?

Definice polovodiče typu N

Polovodič typu N je definován jako typ polovodiče, který byl dotován pětihvězdnými impuritami, aby se zvýšila jeho vodivost přidáním volných elektronů.

Než porozumíme, co je polovodič typu N, měli bychom se zaměřit na základní atomovou vědu. Atomy se snaží mít osm elektronů ve své nejvnější oběžné dráze, známé jako valenční elektrony. Ne všechny atomy toto dosahují, ale všichni se snaží dosáhnout této stabilní konfigurace.

Elektrony ve vnější oběžné dráze atomu se nazývají valenční elektrony. Pokud nejvnější oběžná dráha atomu nemá osm elektronů, pak bude existovat tolik volných míst, kolik chybí elektronů v oběžné dráze. Tyto volné místa jsou vždy připravena přijmout elektrony, aby vyplnila osm elektronů v nejvnější oběžné dráze atomu.

Nejpoužívanější polovodiče jsou křemík a germanium. Křemík má 14 elektronů uspořádaných jako 2, 8, 4, zatímco germanium má 32 elektronů uspořádaných jako 2, 8, 18, 4. Oba polovodiče mají čtyři elektrony ve své nejvnější oběžné dráze, což zanechává volná místa pro další čtyři elektrony.

Každý z čtyř valenčních elektronů v křemíku nebo germaniu tvoří kovalentní vazbu s sousedními atomy, vyplňuje volná místa. Ideálně by všechny valenční elektrony v krystalu polovodiče byly zapojeny do kovalentních vazeb, takže by v krystalu neměly existovat žádné volné elektrony.

Ale toto není skutečný případ. Při absolutní nule Kelvina by v krystalu nebyly žádné volné elektrony, ale když teplota stoupne z absolutní nuly na pokojovou teplotu, počet valenčních elektronů v vazbách je termicky excitován a uvolní se z vazby a vytvoří počet volných elektronů v krystalu. Tyto volné elektrony způsobují vodivost polovodičových materiálů při jakékoli teplotě vyšší než absolutní nula.

Existuje metoda zvyšování vodivosti polovodičů při jakékoli teplotě vyšší než absolutní nula. Tato metoda se nazývá dotování. V této metodě je čistý nebo intrinsický polovodič dotován pětihvězdnými impuritami, jako jsou antimon, arzen a fosfor. Tyto impurity atomy nahrazují některé atomy polovodiče v krystalu a obsazují jejich pozice. Protože impurity atomy mají pět valenčních elektronů ve vnější oběžné dráze, 4 z nich vytvoří kovalentní vazbu s čtyřmi sousedními atomy polovodiče.

Jeden valenční elektron impurity atomu nemá šanci zapojit se do kovalentní vazby a stává se více volně spojený s rodičovským impurity atomem. Při pokojové teplotě tyto volně spojené páté valenční elektrony impurity atomů mohou odejít ze své pozice kvůli termickému excitaci.

V důsledku tohoto jevu bude významný počet volných elektronů, ale stále dochází k rozpadu kovalentních vazeb v krystalu kvůli termickému excitaci při pokojové teplotě. Volné elektrony kromě volných elektronů vzniklých rozpadem polovodiče na polovodič a polovodič na impurity kovalentní vazby způsobují celkový počet volných elektronů v krystalu.

Ačkoli pokaždé, když se vytvoří volný elektron během rozpadu polovodiče na polovodič kovalentní vazby, vznikne volné místo v rozbité vazbě. Tyto volné místa se označují jako díry. Každá z těchto dír se považuje za pozitivní ekvivalent negativního elektronu, protože vzniká kvůli chybě jednoho elektronu. Zde jsou elektrony hlavními mobilními nosiči náboje. V polovodiči typu N budou i volné elektrony a díry.

Avšak počet dír je značně menší než počet elektronů, protože díry vznikají pouze kvůli rozpadu polovodiče na polovodič kovalentní vazby, zatímco volné elektrony vznikají jak kvůli volně spojenému nevazebnému pátému valenčnímu elektronu impurity atomů, tak i kvůli rozpadu polovodiče na polovodič kovalentní vazby.

Proto je počet volných elektronů >> počet dír v polovodiči typu N. Proto se volné elektrony nazývají majoritní nosiče, a díry minoritní nosiče v polovodiči typu N. Protože negativně nabité elektrony jsou hlavními nosiči náboje, tento polovodič se nazývá negativní typ nebo polovodič typu N. I když v krystalu je mnoho volných elektronů, stále je elektricky neutrální, protože celkový počet protonů a celkový počet elektronů je stejný.