Was ist ein N-Typ-Halbleiter?

Was ist ein N-Typ-Halbleiter?

Definition eines N-Typ-Halbleiters

Ein N-Typ-Halbleiter wird definiert als eine Art von Halbleiter, der mit fünfwertigen Verunreinigungen dotiert wurde, um seine Leitfähigkeit durch das Hinzufügen freier Elektronen zu erhöhen.

Bevor wir verstehen, was ein N-Typ-Halbleiter ist, sollten wir uns auf die grundlegende Atomphysik konzentrieren. Atome streben danach, in ihrer äußersten Bahn acht Elektronen, sogenannte Valenzelektronen, zu haben. Nicht alle Atome erreichen dies, aber sie alle bemühen sich, diese stabile Konfiguration zu erreichen.

Die Elektronen in der äußersten Bahn eines Atoms werden als Valenzelektronen bezeichnet. Wenn die äußerste Bahn eines Atoms nicht acht Elektronen hat, gibt es so viele Vakanzstellen wie fehlende Elektronen in der Bahn. Diese Vakanzstellen sind immer bereit, Elektronen anzunehmen, um acht Elektronen in der äußersten Bahn des Atoms zu erfüllen.

Die am häufigsten verwendeten Halbleiter sind Silizium und Germanium. Silizium hat 14 Elektronen, die als 2, 8, 4 angeordnet sind, während Germanium 32 Elektronen hat, die als 2, 8, 18, 4 angeordnet sind. Beide Halbleiter haben vier Elektronen in ihrer äußersten Bahn, was Vakanzstellen für weitere vier Elektronen hinterlässt.

Jedes der vier Valenzelektronen im Silizium oder Germanium bildet eine kovalente Bindung mit benachbarten Atomen, wodurch die Vakanzstellen gefüllt werden. Ideal gesehen sind alle Valenzelektronen in einem Halbleiterkristall in kovalenten Bindungen beteiligt, sodass es keine freien Elektronen im Kristall geben sollte.

Das ist jedoch nicht der tatsächliche Fall. Bei absoluter 0 Kelvin würde es keine freien Elektronen im Kristall geben, aber wenn die Temperatur von absolutem Nullpunkt auf Raumtemperatur ansteigt, werden einige der Valenzelektronen in den Bindungen thermisch angeregt und lösen sich aus der Bindung, wodurch freie Elektronen im Kristall entstehen. Diese freien Elektronen verursachen die Leitfähigkeit der Halbleitermaterialien bei jeder Temperatur, die höher als absolut Null ist.

Es gibt eine Methode, die Leitfähigkeit von Halbleitern bei Temperaturen über absolut Null zu erhöhen. Diese Methode wird Dotierung genannt. Dabei wird ein reiner oder intrinsischer Halbleiter mit fünfwertigen Verunreinigungen wie Antimon, Arsen und Phosphor dotiert. Diese Verunreinigungsatome ersetzen einige der Halbleiteratome im Kristall und nehmen ihre Positionen ein. Da die Verunreinigungsatome fünf Valenzelektronen in der äußersten Bahn haben, bilden vier davon kovalente Bindungen mit vier benachbarten Halbleiteratomen.

Ein Valenzelektron des Verunreinigungsatoms bekommt keine Gelegenheit, an einer kovalenten Bindung teilzunehmen und wird weniger stark gebunden. Bei Raumtemperatur können diese locker gebundenen fünften Valenzelektronen der Verunreinigungsatome aufgrund der thermischen Anregung ihre Position verlassen.

Dadurch entstehen eine beträchtliche Anzahl freier Elektronen, aber es gibt immer noch Brüche von kovalenten Bindungen im Kristall aufgrund der thermischen Anregung bei Raumtemperatur. Die freien Elektronen, die zusätzlich zu den durch das Brechen von Halbleiter zu Halbleiter- und Halbleiter zu Verunreinigungs-Kovalentbindungen entstehen, verursachen die Gesamtzahl der freien Elektronen im Kristall.

Obwohl jedes Mal, wenn ein freies Elektron beim Brechen einer Halbleiter zu Halbleiter-Kovalentbindung entsteht, eine Vakanz in der gebrochenen Bindung entsteht. Diese Vakanzstellen werden als Löcher bezeichnet. Jedes dieser Löcher wird als positives Äquivalent eines negativen Elektrons angesehen, da es aufgrund des Mangels eines Elektrons entsteht. Hier sind Elektronen die Hauptladungsträger. In einem N-Typ-Halbleiter gibt es sowohl freie Elektronen als auch Löcher.

Allerdings ist die Anzahl der Löcher viel kleiner als die der Elektronen, da Löcher nur durch das Brechen von Halbleiter zu Halbleiter-Kovalentbindungen entstehen, während freie Elektronen sowohl durch die locker gebundenen, nicht gebundenen fünften Valenzelektronen der Verunreinigungsatome als auch durch das Brechen von Halbleiter zu Halbleiter-Kovalentbindungen entstehen.

Daher ist die Anzahl der freien Elektronen >> die Anzahl der Löcher in einem N-Typ-Halbleiter. Deshalb werden freie Elektronen als Mehrheitsladungsträger und Löcher als Minderheitsladungsträger in einem N-Typ-Halbleiter bezeichnet. Da hauptsächlich negativ geladene Elektronen an der Ladungübertragung durch diesen Halbleiter beteiligt sind, wird er als negativer Typ oder N-Typ-Halbleiter bezeichnet. Obwohl es im Kristall viele freie Elektronen gibt, ist er elektrisch neutral, da die Gesamtzahl der Protonen und die Gesamtzahl der Elektronen gleich sind.