Hvad er en N-type halvleder?
Hvad er en N-type halvleder?
Definition af N-type halvleder
En n-type halvleder defineres som en type halvleder, der er dopet med pentavalente forureninger for at øge dens ledeevne ved tilføjelse af frie elektroner.
Inden vi forstår, hvad en n-type halvleder er, bør vi fokusere på grundlæggende atomvidenskab. Atomer stræber efter at have otte elektroner i deres yderste kredsløb, kendt som valenselektroner. Ikke alle atomer opnår dette, men de stræber alle for at nå denne stabile konfiguration.
Elektroner i et atoms yderste kredsløb kaldes valenselektroner. Hvis det yderste kredsløb af et atom ikke har otte elektroner, vil der være lige så mange ledigheder som manglen på elektroner i kredsløbet. Disse ledigheder er altid parate til at acceptere elektroner for at opfylde otte elektroner i det yderste kredsløb af atomet.
De mest almindeligt anvendte halvledere er silicium og germanium. Silicium har 14 elektroner arrangeret som 2, 8, 4, mens germanium har 32 elektroner arrangeret som 2, 8, 18, 4. Begge halvledere har fire elektroner i deres yderste kredsløb, hvilket efterlader ledigheder for fire flere elektroner.
Hver af de fire valenselektroner i silicium eller germanium danner en kovalent binding med naboelektroner, hvilket fylder ledighederne. Ideelt set er alle valenselektroner i et halvlederkristal involveret i kovalente bindinger, så der burde ikke være nogen frie elektroner i kristallet.
Men dette er ikke den reelle situation. Ved absolut 0o Kelvin ville der ikke være nogen frie elektroner i kristallet, men når temperaturen stiger fra absolut nulpunkt til rumtemperatur, bliver antallet af valenselektroner i bindingerne termisk opspændt og kommer ud af bindingen, hvilket skaber et antal frie elektroner i kristallet. Disse frie elektroner forårsager ledeevnen af halvledermaterialerne ved enhver temperatur højere end absolut nulpunkt.
Der findes en metode til at øge ledeevnen af halvledere ved enhver temperatur højere end absolut nulpunkt. Denne metode kaldes doping. I denne metode bliver rent eller intrinsisk halvleder dopet med pentavalente forureninger som antimon, arsæn og fosfor. Disse forureningseatomer erstatter nogle af halvlederatomerne i kristallet og tager deres positioner. Da forureningseatomerne har fem valenselektroner i det yderste kredsløb, vil fire af dem danne kovalente bindinger med fire nabohalvlederatomer.
Et valenselektron fra forureningseatomet får ikke mulighed for at være involveret i kovalent binding og bliver mere løst bundet til forureningseatomet. Ved rumtemperatur kan disse løst forbundne femte valenselektroner komme ud af deres position på grund af termisk opspænding.
På grund af dette fænomen vil der være et betydeligt antal frie elektroner, men der vil stadig være nedbrydning af kovalente bindinger i kristallet på grund af termisk opspænding ved rumtemperatur. De frie elektroner, samt de frie elektroner, der opstår på grund af nedbrydningen af halvleder til halvleder og halvleder til forurening kovalente bindinger, forårsager det samlede antal frie elektroner i kristallet.
Selvom der hver gang et frit elektron opstår under nedbrydningen af en halvleder til halvleder kovalent binding, opstår der en ledighed i den brudte binding. Disse ledigheder refereres til som huller. Hvert af disse huller anses for at være det positive ækvivalent til et negativt elektron, da det opstår på grund af mangel på ét elektron. Her er elektronerne de hovedsagelige mobile ladningsbærere. I en n-type halvleder vil der være både frie elektroner og huller.
Men antallet af huller er betydeligt mindre end antallet af elektroner, fordi huller kun opstår på grund af nedbrydningen af halvleder til halvleder kovalent binding, mens frie elektroner opstår både på grund af løst bundet ikke-bundet femte valenselektron fra forureningseatomer og nedbrydning af halvleder til halvleder kovalent bindinger.
Derfor er antallet af frie elektroner >> antallet af huller i en n-type halvleder. Det er derfor, at frie elektroner kaldes majoritetsbærere, og huller kaldes minoritetsbærere i en n-type halvleder. Da negativt ladete elektroner hovedsageligt er involveret i ladningsoverførsel gennem denne halvleder, kaldes den for negativ type eller n-type halvleder. Selvom der er masser af frie elektroner i kristallet, er det fortsat elektrisk neutralt, da det samlede antal protoner og det samlede antal elektroner er ens.
