Τι είναι ένα ημιαγωγό τύπου N;

Τι είναι ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N;

Ορισμός Ηλεκτροσυμπληρωμένου Σεμιχόνδριου Τύπου N

Ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N ορίζεται ως ένα είδος σεμιχόνδριου που έχει ενισχυθεί με πενταβαλέντια ενδείξιμα για να αυξήσει την ηλεκτρική διαγωγικότητά του προσθέτοντας ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Πριν κατανοήσουμε τι είναι ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N, θα πρέπει να εστιάσουμε στη βασική ατομική επιστήμη. Τα άτομα στοχεύουν να έχουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερικότερη τροχιά, γνωστά ως βαλέντια ηλεκτρόνια. Δεν όλα τα άτομα το επιτυγχάνουν, αλλά όλα προσπαθούν να φτάσουν σε αυτή τη σταθερή διάταξη.

Τα ηλεκτρόνια στην εξωτερικότερη τροχιά ενός άτομου ονομάζονται βαλέντια ηλεκτρόνια. Εάν η εξωτερικότερη τροχιά ενός άτομου δεν έχει οκτώ ηλεκτρόνια, τότε θα υπάρχουν τόσες θέσεις όσες λείπουν ηλεκτρόνια στην τροχιά. Αυτές οι θέσεις είναι πάντα έτοιμες να αποδεχθούν ηλεκτρόνια για να εκπληρώσουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερικότερη τροχιά του άτομου.

Τα πιο συνηθισμένα σεμιχόνδρια που χρησιμοποιούνται είναι το σίλικον και το γερμανίο. Το σίλικον έχει 14 ηλεκτρόνια τα οποία διατάσσονται ως 2, 8, 4, ενώ το γερμανίο έχει 32 ηλεκτρόνια τα οποία διατάσσονται ως 2, 8, 18, 4. Και τα δύο σεμιχόνδρια έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερικότερη τροχιά, αφήνοντας θέσεις για τέσσερα άλλα ηλεκτρόνια.

Κάθε ένα από τα τέσσερα βαλέντια ηλεκτρόνια στο σίλικον ή το γερμανίο σχηματίζει μια συνδετική δέσμη με παρακείμενα άτομα, γεμίζοντας τις θέσεις. Ιδεαλικά, όλα τα βαλέντια ηλεκτρόνια σε ένα κρύσταλλο σεμιχόνδριου είναι εμπλεκόμενα σε συνδετικές δεσμεύσεις, οπότε δεν θα πρέπει να υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια στο κρύσταλλο.

Αλλά αυτό δεν είναι η πραγματική περίπτωση. Στο απόλυτο μηδενικό Kelvin δεν θα υπήρχαν ελεύθερα ηλεκτρόνια στο κρύσταλλο, αλλά όταν η θερμοκρασία αυξάνεται από το απόλυτο μηδενικό στη θερμοκρασία της δωμάτιου, ο αριθμός των βαλέντια ηλεκτρονίων στις δεσμεύσεις ενεργοποιείται θερμικά και ξεφεύγει από τη δέσμη, δημιουργώντας έναν αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων στο κρύσταλλο. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια προκαλούν τη διαγωγικότητα των υλικών σεμιχόνδριου σε οποιαδήποτε θερμοκρασία υψηλότερη από το απόλυτο μηδενικό.

Υπάρχει μια μέθοδος αύξησης της διαγωγικότητας των σεμιχόνδριων σε οποιαδήποτε θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδενικό. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται δοπαντισμός. Σε αυτή τη μέθοδο, ένα καθαρό ή εγχειρηματικό σεμιχόνδριο δοπαντίζεται με πενταβαλέντια ενδείξιμα όπως το αντιμόνιο, το αρσενικό και το φωσφόρο. Αυτά τα άτομα-ενδείξιμα αντικαθιστούν μερικά από τα άτομα του σεμιχόνδριου στο κρύσταλλο και καταλαμβάνουν τις θέσεις τους. Καθώς τα άτομα-ενδείξιμα έχουν πέντε βαλέντια ηλεκτρόνια στην εξωτερικότερη τροχιά, τέσσερα από αυτά θα δημιουργήσουν συνδετικές δεσμεύσεις με τέσσερα γειτονικά άτομα σεμιχόνδριου.

Ένα βαλέντιο ηλεκτρόνιο του άτομου-ενδείξιμου δεν έχει την ευκαιρία να συμμετάσχει σε συνδετική δέσμη και γίνεται πιο ελεύθερα δεμένο με το γονικό άτομο-ενδείξιμο. Σε θερμοκρασία δωματίου, αυτά τα ελεύθερα πέμπτα βαλέντια ηλεκτρόνια των άτομων-ενδείξιμων μπορούν να ξεφύγουν από τη θέση τους λόγω θερμικής ενεργοποίησης.

Λόγω αυτού του φαινομένου, θα υπάρχει ένα σημαντικός αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά υπάρχουν ακόμα και καταστροφές συνδετικών δεσμών στο κρύσταλλο λόγω θερμικής ενεργοποίησης σε θερμοκρασία δωματίου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, σε συνδυασμό με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται λόγω της κατάρρευσης συνδετικών δεσμών σεμιχόνδριου-σεμιχόνδριου και σεμιχόνδριου-ενδείξιμου, προκαλούν το σύνολο των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο κρύσταλλο.

Παρ' όλα αυτά, όποτε δημιουργείται ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο κατά την κατάρρευση μιας συνδετικής δέσμης σεμιχόνδριου-σεμιχόνδριου, δημιουργείται μια θέση στην κατερριμμένη δέσμη. Αυτές οι θέσεις ονομάζονται τρύπες. Κάθε μία από αυτές τις τρύπες θεωρείται ως θετικό ισοδύναμο ενός αρνητικού ηλεκτρονίου, καθώς δημιουργείται λόγω της έλλειψης ενός ηλεκτρονίου. Εδώ τα ηλεκτρόνια είναι τα κύρια μετακινούμενα φορείς φορτίου. Σε ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N, θα υπάρχουν και ελεύθερα ηλεκτρόνια και τρύπες.

Ωστόσο, ο αριθμός των τρύπων είναι πολύ μικρότερος από τον αριθμό των ηλεκτρονίων, καθώς οι τρύπες δημιουργούνται μόνο λόγω της κατάρρευσης συνδετικών δεσμών σεμιχόνδριου-σεμιχόνδριου, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δημιουργούνται και λόγω των ελεύθερων, μη δεμένων πέμπτων βαλέντια ηλεκτρονίων των άτομων-ενδείξιμων και της κατάρρευσης συνδετικών δεσμών σεμιχόνδριου-σεμιχόνδριου.

Άρα, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων >> ο αριθμός των τρύπων σε ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N. Γι' αυτό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται κύριοι φορείς, και οι τρύπες ονομάζονται μειονούχοι φορείς σε ένα ηλεκτροσυμπληρωμένο σεμιχόνδριο τύπου N. Επειδή τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συμμετέχουν κυρίως στη μεταφορά φορτίου μέσω αυτού του σεμιχόνδριου, ονομάζεται αρνητικός τύπος ή σεμιχόνδριο τύπου N. Παρ' όλα αυτά, αν και υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια στο κρύσταλλο, παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο, καθώς ο συνολικός αριθμός των πρωτονίων και ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσοι.