نیم‌رسانا نوع N چیست؟
نیم‌رسانا نوع N چیست؟
تعریف نیم‌رسانا نوع N
نیم‌رسانا نوع N به نوعی از نیم‌رساناهایی گفته می‌شود که با آلودگی‌های پنج‌ارزی تغییر داده شده‌اند تا رسانایی آن‌ها با افزودن الکترون‌های آزاد افزایش یابد.
قبل از فهمیدن اینکه نیم‌رسانا نوع N چیست، باید روی علم اتمی پایه تمرکز کنیم. اتم‌ها سعی می‌کنند در مدار خارجی‌ترین خود هشت الکترون داشته باشند که به الکترون‌های والانس معروف هستند. نه همه اتم‌ها این وضعیت را دارند، اما همه آن‌ها سعی می‌کنند به این ترکیب پایدار برسند.
الکترون‌های موجود در مدار خارجی‌ترین اتم را الکترون‌های والانس می‌نامند. اگر مدار خارجی‌ترین اتم هشت الکترون نداشته باشد، تعدادی جای خالی به اندازه کمبود الکترون‌ها در مدار وجود خواهد داشت. این جای‌های خالی همیشه آماده هستند تا الکترون‌ها را دریافت کنند تا هشت الکترون در مدار خارجی‌ترین اتم تأمین شود.
نیم‌رساناهای رایج‌ترین شامل سیلیکون و ژرمانیوم هستند. سیلیکون ۱۴ الکترون دارد که به صورت ۲، ۸، ۴ مرتب شده است، در حالی که ژرمانیوم ۳۲ الکترون دارد که به صورت ۲، ۸، ۱۸، ۴ مرتب شده است. 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 در سیلیکون یا ژرمانیوم یک پیوند کووالانسی با اتم‌های مجاور تشکیل می‌دهد و جای‌های خالی را پر می‌کند. ایده‌آل آن است که تمام الکترون‌های والانس در بلور نیم‌رسانا در پیوندهای کووالانسی مشغول باشند، بنابراین نباید الکترون آزادی در بلور وجود داشته باشد.
اما این حالت واقعی نیست. در صفر کلوین مطلق هیچ الکترون آزادی در بلور وجود نخواهد داشت، اما وقتی دما از صفر کلوین به دمای محیط بالا می‌رود، تعدادی از الکترون‌های والانس در پیوندها تحریک حرارتی می‌شوند و از پیوند خارج می‌شوند و تعداد قابل توجهی الکترون آزاد در بلور ایجاد می‌کنند. این الکترون‌های آزاد باعث رسانایی مواد نیم‌رسانا در هر دمای بالاتر از صفر کلوین می‌شوند.
روشی برای افزایش رسانایی نیم‌رساناهای در هر دمای بالاتر از صفر کلوین وجود دارد. این روش آلودگی نامیده می‌شود. در این روش نیم‌رسانا خالص یا ذاتی با آلودگی‌های پنج‌ارزی مانند آنتیمون، آرسنیک و فسفر آلوده می‌شود. این اتم‌های آلودگی برخی از اتم‌های نیم‌رسانا را در بلور جایگزین می‌کنند و موقعیت آن‌ها را می‌گیرند. از آنجا که اتم‌های آلودگی پنج الکترون والانس در مدار خارجی دارند، چهار تای آن‌ها پیوند کووالانسی با چهار اتم مجاور نیم‌رسانا تشکیل می‌دهند.
یک الکترون والانس از اتم آلودگی فرصت برای شرکت در پیوند کووالانسی ندارد و با اتم آلودگی پدری به صورت آزاد‌تری متصل می‌شود. در دمای محیط، این الکترون‌های والانس پنجمی که به صورت آزاد‌تری متصل شده‌اند می‌توانند به دلیل تحریک حرارتی از موقعیت خود خارج شوند.
به دلیل این پدیده، تعداد قابل توجهی الکترون آزاد وجود خواهد داشت، اما همچنان پیوندهای کووالانسی در بلور به دلیل تحریک حرارتی در دمای محیط شکسته می‌شوند. الکترون‌های آزاد به علاوه الکترون‌های آزاد ایجاد شده به دلیل شکست پیوندهای کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا و نیم‌رسانا به آلودگی‌ها، تعداد کل الکترون‌های آزاد در بلور را تشکیل می‌دهند.
هر زمان که یک الکترون آزاد در حین شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شود، یک جای خالی در پیوند شکسته ایجاد می‌شود. این جای‌های خالی به عنوان سوراخ‌ها شناخته می‌شوند. هر یک از این سوراخ‌ها به عنوان معادل مثبت یک الکترون منفی در نظر گرفته می‌شود چون به دلیل فقدان یک الکترون ایجاد می‌شوند. در نیم‌رسانا نوع N هم الکترون‌های آزاد و هم سوراخ‌ها وجود دارد.
اما تعداد سوراخ‌ها به مراتب کمتر از الکترون‌ها است زیرا سوراخ‌ها فقط به دلیل شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شوند، در حالی که الکترون‌های آزاد هم به دلیل الکترون پنجمی غیرپیوندی و آزاد از اتم‌های آلودگی و هم به دلیل شکست پیوند کووالانسی نیم‌رسانا به نیم‌رسانا ایجاد می‌شوند.
بنابراین، تعداد الکترون‌های آزاد >> تعداد سوراخ‌ها در نیم‌رسانا نوع N است. به همین دلیل الکترون‌های آزاد به عنوان حمل‌کننده‌های اکثریت و سوراخ‌ها به عنوان حمل‌کننده‌های اقلیت در نیم‌رسانا نوع N شناخته می‌شوند. از آنجا که الکترون‌های منفی بار عمده‌ای در انتقال بار از طریق این نیم‌رسانا نقش دارند، به آن نیم‌رسانا نوع منفی یا N گفته می‌شود. اگرچه تعداد زیادی الکترون آزاد در بلور وجود دارد، اما هنوز به دلیل تساوی تعداد کل پروتون‌ها و الکترون‌ها بی‌بار است.
