چه چیزی N نوع سیم کنده است

چه چیزی نیم‌رسانا از نوع N است؟

تعریف نیم‌رسانا از نوع N

نیم‌رسانا از نوع N به عنوان یک نوع نیم‌رسانا تعریف می‌شود که با آلاینده‌های پنج‌ارزی تغییر یافته تا رسانایی آن با افزودن الکترون‌های آزاد افزایش یابد.

قبل از فهمیدن چه چیزی نیم‌رسانا از نوع N است، باید روی علم اتمی پایه تمرکز کنیم. اتم‌ها هدف دارند که هشت الکترون در مدار خارجی‌ترین خود داشته باشند که الکترون‌های والانس نامیده می‌شوند. تمام اتم‌ها این حالت را ندارند، اما همه تلاش می‌کنند تا به این تنظیم پایدار برسند.

الکترون‌های در مدار خارجی‌ترین یک اتم الکترون‌های والانس نامیده می‌شوند. اگر مدار خارجی یک اتم هشت الکترون نداشته باشد، آنگاه تعدادی جای خالی به اندازه کمبود الکترون‌ها در مدار وجود خواهد داشت. این جای خالی‌ها همیشه آماده هستند تا الکترون‌ها را قبول کنند تا هشت الکترون در مدار خارجی اتم تأمین شود.

نیم‌رسانایی که بیشتر استفاده می‌شوند سیلیکون و ژرمانیوم هستند. سیلیکون ۱۴ الکترون دارد که به صورت ۲، ۸، ۴ مرتب شده‌اند، در حالی که ژرمانیوم ۳۲ الکترون دارد که به صورت ۲، ۸، ۱۸، ۴ مرتب شده‌اند. هر دو نیم‌رسانا چهار الکترون در مدار خارجی خود دارند که برای چهار الکترون دیگر جای خالی باقی می‌گذارند.

هر یک از چهار الکترون والانس سیلیکون یا ژرمانیوم یک پیوند کووالانسی با اتم‌های مجاور تشکیل می‌دهد و جای خالی‌ها را پر می‌کند. در ایده‌آل، تمام الکترون‌های والانس در بلور نیم‌رسانا در پیوند کووالانسی شرکت دارند، بنابراین نباید الکترون آزادی در بلور وجود داشته باشد.

اما این وضعیت واقعی نیست. در صفر کلوین مطلق الکترون آزادی در بلور وجود نخواهد داشت، اما وقتی دمای بلور از صفر کلوین به دمای اتاق بالا می‌رود، تعدادی از الکترون‌های والانس در پیوندها به طور حرارتی برانگیخته می‌شوند و از پیوند خارج می‌شوند و تعداد زیادی الکترون آزاد در بلور ایجاد می‌کنند. این الکترون‌های آزاد موجب رسانایی مواد نیم‌رسانا در هر دما بالاتر از صفر کلوین مطلق می‌شوند.

روشی برای افزایش رسانایی نیم‌رساناهای در هر دمای بالاتر از صفر کلوین مطلق وجود دارد. این روش آلایش نامیده می‌شود. در این روش نیم‌رسانا خالص یا ذاتی با آلاینده‌های پنج‌ارزی مانند آنتیمون، آرسنیک و فسفر آلوده می‌شود. این اتم‌های آلاینده برخی از اتم‌های نیم‌رسانا را در بلور جایگزین می‌کنند و موقعیت آن‌ها را می‌گیرند. چون اتم‌های آلاینده پنج الکترون والانس در مدار خارجی خود دارند، چهار تای آن‌ها پیوند کووالانسی با چهار اتم مجاور نیم‌رسانا تشکیل می‌دهند.

یک الکترون والانس اتم آلاینده فرصت شرکت در پیوند کووالانسی را ندارد و با اتم آلاینده مادر به صورت آزادتری متصل می‌شود. در دمای اتاق، این پنجمین الکترون والانس اتم‌های آلاینده به دلیل برانگیختگی حرارتی می‌تواند از موقعیت خود خارج شود.

به دلیل این پدیده، تعداد قابل توجهی الکترون آزاد وجود خواهد داشت، اما هنوز پیوندهای کووالانسی در بلور به دلیل برانگیختگی حرارتی در دمای اتاق شکسته می‌شوند. الکترون‌های آزاد به علاوه الکترون‌های آزاد ایجاد شده به دلیل شکست پیوندهای کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا و نیم‌رسانا به آلاینده‌ها موجب مجموع الکترون‌های آزاد در بلور می‌شوند.

هر زمان که یک الکترون آزاد در نتیجه شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شود، یک جای خالی در پیوند شکسته ایجاد می‌شود. این جای خالی‌ها به عنوان سوراخ‌ها شناخته می‌شوند. هر یک از این سوراخ‌ها به عنوان معادل مثبت یک الکترون منفی در نظر گرفته می‌شود چون به دلیل کمبود یک الکترون ایجاد می‌شود. در اینجا الکترون‌ها حاملان اصلی شارژ متحرک هستند. در یک نیم‌رسانا از نوع N هم الکترون‌های آزاد و هم سوراخ‌ها وجود دارد.

اما تعداد سوراخ‌ها بسیار کمتر از الکترون‌ها است چون سوراخ‌ها فقط به دلیل شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شوند در حالی که الکترون‌های آزاد هم به دلیل پنجمین الکترون والانس غیرپیوندی و آزاد اتم‌های آلاینده و هم به دلیل شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شوند.

بنابراین، تعداد الکترون‌های آزاد >> تعداد سوراخ‌ها در نیم‌رسانا از نوع N. به همین دلیل الکترون‌های آزاد حاملان اکثریت و سوراخ‌ها حاملان اقلیت در نیم‌رسانا از نوع N نامیده می‌شوند. چون الکترون‌های منفی شارژ شده عمده‌اً در انتقال شارژ از طریق این نیم‌رسانا شرکت دارند، به آن نیم‌رسانا از نوع منفی یا N گفته می‌شود. اگرچه تعداد زیادی الکترون آزاد در بلور وجود دارد، اما هنوز برقیاً خنثی است چون تعداد کل پروتون‌ها و تعداد کل الکترون‌ها برابر است.