Mi az N típusú szemiletvezető?
N típusú szemiletvezető definíciója
Az n-típusú szemiletvezető olyan szemiletvezető, amelybe pentavalens vegyületekkel dopoltak, hogy a szabad elektronok hozzáadásával növeljék vezetékenységét.
Azt, hogy mi az n-típusú szemiletvezető, megértéséhez először alapvető atomtudományi ismeretekre van szükség. Az atomok egy stabil konfiguráció elérésére törekednek, melyben a legkülső pályán található valenz elektronok száma nyolc. Nem minden atom ezt éri el, de mindannyian erre törekszenek.
Az atom legkülső pályáján található elektronokat valenz elektronoknak nevezzük. Ha az atom legkülső pályáján nem található nyolc elektron, akkor annyi hely marad üresen, ahány elektron hiányzik a pályán. Ezek a helyek mindig készen állnak arra, hogy elfogadják az elektronokat, hogy teljesítsék a nyolc elektronos stabilitást.
A leggyakrabban használt szemiletvezetők a szilícium és a germinium. A szilícium 14 elektronja 2, 8, 4-es elrendezésben van, a germinium pedig 32 elektronja 2, 8, 18, 4-es elrendezésben. Mindkét szemiletvezetőnél négy elektron található a legkülső pályán, ami három további elektronra ad lehetőséget.
A szilícium vagy germinium négy valenz elektrona szomszédos atomokkal alkot kovalens kötelet, kitöltve az üres helyeket. Ideális esetben a szemiletvezető kristályban minden valenz elektron részt vesz a kovalens kötelekben, így nincs szabad elektron a kristályban.
De ez nem az igazi helyzet. Abszolút nulla fokon Kelvin-skálán nincs szabad elektron a kristályban, de ha a hőmérséklet emelkedik abszolút zérótól a szobahőmérsékletig, a kötelben lévő valenz elektronok hőerősen felkészülnek, és kilépnek a kötekből, generálva számos szabad elektront a kristályban. Ezek a szabad elektronok okozzák a szemiletvezető anyagok vezetékenységét bármilyen abszolút zérónál magasabb hőmérsékleten.
Van egy módszer, amellyel növelhető a szemiletvezető vezetékenysége abszolút zérónál magasabb hőmérsékleten. Ez a módszer a dopolás. Ebben a módszerben tiszta vagy inerzi szemiletvezetőket pentavalens vegyületekkel, mint például antimon, arzén és foszforral doppelünk. Ezek a vegyületek atomai átveszik a szemiletvezető atomok helyét a kristályban, és bekapcsolódnak. Mivel ezek a vegyületatomok öt valenz elektronjuk vannak a legkülső pályán, négyük kovalens kötelet alakít ki a négy szomszédos szemiletvezető atommal.
Egy vegyületatom valenz elektrona nem kap lehetőséget a kovalens kötelet alakítani, és ennek következtében kevésbé erősen köti a szülő vegyületatomhoz. A szobahőmérsékleten ez a szabadon álló ötödik valenz elektron hőerősen kiléphet a pozíciójából.
Ez a jelenség jelentős mennyiségű szabad elektron létrehozását eredményezi, de továbbra is megtörtülnek a kovalens kötelek a kristályban a hőerő miatt a szobahőmérsékleten. A szabad elektronok, valamint a szemiletvezető-szemiletvezető és a szemiletvezető-vegyület kovalens kötelek megtörténetének eredményeként létrejött szabad elektronok összesen alkotják a kristályban lévő szabad elektronok teljes mennyiségét.
Amikor egy szabad elektron jön létre a szemiletvezető-szemiletvezető kovalens kötelet megtörve, egy üres hely jön létre a tört kötélben. Ezeket az üres helyeket lyukaknak nevezzük. Minden ilyen lyuk tekinthető a negatív elektron pozitív párjának, hiszen egy elektron hiánya miatt jön létre. Itt az elektronok a fő mobil töltéscarrier. Az n-típusú szemiletvezetőben szabad elektronok és lyukak is vannak.
De a lyukak száma jelentősen kevesebb, mint az elektronoké, mert a lyukak csak a szemiletvezető-szemiletvezető kovalens kötelet megtörve jönnek létre, míg a szabad elektronok a vegyületatomok szabadon álló, nem kötött ötödik valenz elektronjainak, valamint a szemiletvezető-szemiletvezető kovalens kötelek megtörténetének eredményeként jönnek létre.
Tehát az n-típusú szemiletvezetőben a szabad elektronok száma sokkal nagyobb, mint a lyukaké. Ezért a szabad elektronokat többségi carriernek, a lyukakat pedig kevésbé gyakori carriernek nevezzük. Mivel a negatív töltésű elektronok főleg vehetnek részt a töltésátvitelen ebben a szemiletvezetőben, ezt negatív típusúvá, vagy röviden n-típusú szemiletvezetőnek hívjuk. Bár a kristályban rengeteg szabad elektron van, még mindig elektromosan semleges, mivel a protonok és elektronok teljes száma egyenlő.
