מהו מוליך חצי N?

מהו מוליך חצי-נורמלי מסוג N?

הגדרת מוליך חצי-נורמלי מסוג N

מוליך חצי-נורמלי מסוג N מוגדר כסוג של מוליך חצי-נורמלי שנוסיף בו פסולות מחמישיות כדי להגביר את התולשנות שלו על ידי הוספת אלקטרונים חופשיים.

לפני שנבין מהו מוליך חצי-נורמלי מסוג N, עלינו להתמקד במדע האטומי הבסיסי. אטומים מתאמצים להשיג שמונה אלקטרונים במסלול החיצוני שלהם, המכונים אלקטרונים ערכיים. לא כל האטומים מצליחים להשיג זאת, אך כולם נאבקים להגיע לתצורה יציבה זו.

האלקטרונים במסלול החיצוני של אטום מכונים אלקטרונים ערכיים. אם מסלול החיצוני של אטום אינו מכיל שמונה אלקטרונים, יהיה מספר פערים בהתאם לחסרון האלקטרונים במסלול. הפערים הללו תמיד מוכנים לקבל אלקטרונים כדי למלא שמונה אלקטרונים במסלול החיצוני של האטום.

המוליכים חצי-נורמליים הנפוצים ביותר הם סיליקון וגרמניום. לסיליקון יש 14 אלקטרונים מסודרים כך: 2, 8, 4, בעוד לגרמניום יש 32 אלקטרונים מסודרים כך: 2, 8, 18, 4. שני המוליכים חצי-נורמליים הללו מכילים ארבעה אלקטרונים במסלול החיצוני שלהם, והם משאירים פערים עבור ארבעה אלקטרונים נוספים.

כל אחד מארבעת האלקטרונים הערכיים בסיליקון או גרמניום יוצר קשר קוולנטי עם אטומים שכנים, וממלא את הפערים. באופן אידיאלי, כל האלקטרונים הערכיים בגביש מוליך חצי-נורמלי מעורבים בקשרים קוולנטיים, ולכן איןught to be any free electrons in the crystal.

אבל זה אינו המצב האמיתי. בטמפרטורה של 0 מעלות קלווין לא יהיה באבץ אלקטרונים חופשיים, אבל כאשר הטמפרטורה עולה ממוחלט לטמפרטורת החדר, מספר האלקטרונים הערכיים בכימויות מתלהטים ויוצאים מהקשרים ויוצרים מספר של אלקטרונים חופשיים באבץ. אלקטרונים חופשיים אלו גורמים לתולשנות של חומרי מוליכים חצי-נורמליים בכל טמפרטורה גבוהה יותר ממוחלט.

ישנן דרכים להגביר את התולשנות של מוליכים חצי-נורמליים בכל טמפרטורה גבוהה יותר ממוחלט. דרך זו מכונה הדופינג. בשיטה זו מוליך חצי-נורמלי טהור או פנימי מדופן עם פסולות מחמישיות כמו אנטימון, ארסן וזרחן. אטומי הפסולת מחליפים חלק מהאטומים במוליך חצי-נורמלי באבץ ומשתלטים על מקומותיהם. מאחר ואטומי הפסולת מכילים חמישה אלקטרונים ערכיים במסלול החיצוני, ארבעה מהם יצרו קשר קוולנטי עם ארבעה אטומים סמוכים של מוליך חצי-נורמלי.

אלקטרון ערכי אחד של אטום הפסולת אינו מקבל הזדמנות להשתתף בקשר קוולנטי ונשאר קשור בצורה רפויה לאטום ההורים. בטמפרטורת החדר, אלקטרונים ערכיים אלה יכולים לצאת מהמקום שלהם עקב התלהטות תרמית.

כתוצאה מהתופעה הזו, יהיו מספר משמעותי של אלקטרונים חופשיים, אך עדיין יהיו התפרקות של קשרים קוולנטיים באבץ עקב התלהטות תרמית בטמפרטורת החדר. אלקטרונים חופשיים בנוסף לאלקטרונים חופשיים שנוצרו עקב התפרקות של קשרים קוולנטיים בין מוליכים חצי-נורמליים לבין פסולות גורמים לסך הכל של אלקטרונים חופשיים באבץ.

למרות שאם אלקטרון חופשי נוצר במהלך התפרקות של קשר קוולנטי בין מוליכים חצי-נורמליים, נוצר פער בכיוון שנשבר. הפערים הללו מכונים חורים. כל אחד מהחורים נחשב כשווה חיובי של אלקטרון שלילי מכיוון שהוא נוצר עקב חסר של אלקטרון אחד. כאן אלקטרונים הם נושאי המטען המובילים. במוליך חצי-נורמלי מסוג N יהיו גם אלקטרונים חופשיים וחורים.

אבל מספר החורים קטן בהרבה ממספר האלקטרונים כי החורים נוצרים רק עקב התפרקות של קשר קוולנטי בין מוליכים חצי-נורמליים, בעוד אלקטרונים חופשיים נוצרים גם עקב אלקטרון ערכי החמישי של אטומי הפסולת שאינו קשור ותפרקות של קשרים קוולנטיים בין מוליכים חצי-נורמליים.

לכן, מספר האלקטרונים חופשיים גדול בהרבה ממספר החורים במוליך חצי-נורמלי מסוג N.正是因为这个原因，在N型半导体中，自由电子被称为多数载流子，而空穴被称为少数载流子。由于带负电荷的电子主要参与这种半导体中的电荷传输，因此它被称为负型或N型半导体。尽管晶体中有大量的自由电子，但它在电学上是中性的，因为质子总数和电子总数相等。