Što je N tip poluprovodnik?

Što je N tip poluprovodnik?

Definicija N tipa poluprovodnika

N tip poluprovodnika definira se kao vrsta poluprovodnika koja je dopirana pentavalentnim impuritetima kako bi se povećala njegova provodljivost dodavanjem slobodnih elektrona.

Prije nego što shvatimo što je N tip poluprovodnika, trebali bismo se usrediti na osnovnu atomska znanost. Atomi teže da imaju osam elektrona u svojoj najudaljenijoj orbiti, poznatim kao valentni elektroni. Ne svi atomi to postižu, ali svi se trude doseći tu stabilnu konfiguraciju.

Elektroni u najudaljenijoj orbiti atoma zovu se valentni elektroni. Ako najudaljenija orbita atoma nema osam elektrona, tada će biti onoliko nedostataka koliko nedostaje elektrona u orbiti. Ovi nedostaci uvijek su spremni prihvaćati elektrone kako bi ispunili osam elektrona u najudaljenijoj orbiti atoma.

Najčešće korišteni poluprovodnici su silicij i germanij. Silicij ima 14 elektrona raspoređenih kao 2, 8, 4, dok germanij ima 32 elektrona raspoređenih kao 2, 8, 18, 4. Obje vrste poluprovodnika imaju četiri elektrona u svojoj najudaljenijoj orbiti, ostavljajući mjesto za još četiri elektrona.

Svaki od četiri valentna elektrona u siliciju ili germaniju stvara kovalentnu vezu s susjednim atomima, ispunjavajući nedostatke. Idealno, svi valentni elektroni u kristalu poluprovodnika uključeni su u kovalentne veze, tako da ne bi trebalo biti slobodnih elektrona u kristalu.

Ali to nije stvaran slučaj. Pri apsolutnoj nuli Kelvina ne bi bilo slobodnih elektrona u kristalu, ali kada temperatura raste od apsolutne nule do sobne temperature, broj valentnih elektrona u vezama termički se uzbuđuju i izlaze iz veza, stvarajući broj slobodnih elektrona u kristalu. Ti slobodni elektroni uzrokuju provodljivost materijala poluprovodnika na bilo kojoj temperaturi višoj od apsolutne nule.

Postoji metoda povećanja provodljivosti poluprovodnika na bilo kojoj temperaturi većoj od apsolutne nule. Ova metoda se zove dopiranje. U ovoj metodi čisti ili intrinzični poluprovodnik dopira se pentavalentnim impuritetima poput antimonija, arsenika i fosfora. Ovi atomi impuriteta zamjenjuju neke atome poluprovodnika u kristalu i zauzimaju njihova mjesta. Budući da atomi impuriteta imaju pet valentnih elektrona u svojoj najudaljenijoj orbiti, četiri od njih stvorit će kovalentnu vezu s četiri susjedna atoma poluprovodnika.

Jedan valentni elektron atoma impuriteta ne dobiva priliku za uključivanje u kovalentnu vezu i postaje manje vezan za roditeljski atom impuriteta. Pri sobnoj temperaturi, ti lučno vezani peti valentni elektroni atoma impuriteta mogu izići iz svojih pozicija zbog termičkog uzbuđenja.

Zbog ovog fenomena, bit će značajan broj slobodnih elektrona, ali i dalje će biti rušenje kovalentnih veza u kristalu zbog termičkog uzbuđenja pri sobnoj temperaturi. Slobodni elektroni, uz one stvorene zbog rušenja kovalentnih veza između poluprovodnika i poluprovodnika te između poluprovodnika i impuriteta, uzrokuju ukupan broj slobodnih elektrona u kristalu.

Iako svaki put kada se slobodni elektron stvori tijekom rušenja kovalentne veze između poluprovodnika i poluprovodnika, stvara se nedostatak u prekinutoj vezi. Ovi nedostaci nazivaju se rupe. Svaka od tih rupa smatra se pozitivnim ekvivalentom negativnog elektrona jer se stvara zbog nedostatka jednog elektrona. Ovdje su elektroni glavni nositelji mobilnog naboja. U N tipu poluprovodnika bit će i slobodni elektroni i rupe.

Ali broj rupa je značajno manji od broja elektrona jer se rupe stvaraju samo zbog rušenja kovalentne veze između poluprovodnika i poluprovodnika, dok se slobodni elektroni stvaraju i zbog lučno vezanog nepovezanog petog valentnog elektrona atoma impuriteta i rušenja kovalentnih veza između poluprovodnika i poluprovodnika.

Stoga je broj slobodnih elektrona >> broj rupa u N tipu poluprovodnika. Zbog toga se slobodni elektroni zovu većinskim nositeljima, a rupe manjinskim nositeljima u N tipu poluprovodnika. Budući da se negativno nabijeni elektroni uglavnom uključuju u prenos naboja kroz ovaj poluprovodnik, on se naziva negativnim tipom ili N tipom poluprovodnika. Iako u kristalu ima puno slobodnih elektrona, ipak je električno neutralan jer je ukupan broj protona jednak ukupnom broju elektrona.