Cosa è un semiconduttore di tipo N?

Cos'è un semiconduttore di tipo N?

Definizione di semiconduttore di tipo N

Un semiconduttore di tipo N è definito come un tipo di semiconduttore che è stato dopato con impurità pentavalenti per aumentare la sua conduttività aggiungendo elettroni liberi.

Prima di comprendere cos'è un semiconduttore di tipo N, dovremmo concentrarci sulla scienza atomica di base. Gli atomi tendono ad avere otto elettroni nell'orbita più esterna, noti come elettroni di valenza. Non tutti gli atomi raggiungono questo obiettivo, ma tutti cercano di raggiungere questa configurazione stabile.

Gli elettroni nell'orbita più esterna di un atomo sono chiamati elettroni di valenza. Se l'orbita più esterna di un atomo non ha otto elettroni, allora ci saranno tanti vuoti quanti mancano elettroni nell'orbita. Questi vuoti sono sempre pronti ad accettare elettroni per completare otto elettroni nell'orbita più esterna dell'atomo.

I semiconduttori più comunemente utilizzati sono il silicio e il germanio. Il silicio ha 14 elettroni disposti come 2, 8, 4, mentre il germanio ha 32 elettroni disposti come 2, 8, 18, 4. Entrambi i semiconduttori hanno quattro elettroni nell'orbita più esterna, lasciando spazio per quattro elettroni in più.

Ognuno dei quattro elettroni di valenza nel silicio o nel germanio forma un legame covalente con gli atomi vicini, riempiendo i vuoti. Idealmente, tutti gli elettroni di valenza in un cristallo di semiconduttore sono coinvolti in legami covalenti, quindi non dovrebbero esserci elettroni liberi nel cristallo.

Ma questo non è il caso reale. A 0 gradi Kelvin assoluti non ci sarebbero elettroni liberi nel cristallo, ma quando la temperatura aumenta da zero assoluto alla temperatura ambiente, alcuni elettroni di valenza nei legami vengono eccitati termicamente e si liberano dal legame, generando un numero di elettroni liberi nel cristallo. Questi elettroni liberi causano la conduttività dei materiali semiconduttori a qualsiasi temperatura superiore allo zero assoluto.

Esiste un metodo per aumentare la conduttività dei semiconduttori a qualsiasi temperatura superiore allo zero assoluto. Questo metodo è chiamato dopaggio. In questo metodo, un semiconduttore puro o intrinseco viene dopato con impurità pentavalenti come antimonio, arsenico e fosforo. Questi atomi di impurità sostituiscono alcuni atomi del semiconduttore nel cristallo e occupano le loro posizioni. Poiché gli atomi di impurità hanno cinque elettroni di valenza nell'orbita più esterna, quattro di essi creeranno il legame covalente con quattro atomi di semiconduttore adiacenti.

Un elettrone di valenza dell'atomo di impurità non ha la possibilità di partecipare al legame covalente e diventa meno legato all'atomo di impurità genitore. Alla temperatura ambiente, questi elettroni di valenza quinti, legati in modo meno stretto, possono uscire dalla loro posizione a causa dell'eccitazione termica.

A causa di questo fenomeno, ci sarà un numero considerevole di elettroni liberi, ma ci saranno ancora rotture di legami covalenti nel cristallo a causa dell'eccitazione termica alla temperatura ambiente. Gli elettroni liberi, oltre a quelli creati a causa della rottura di legami covalenti tra semiconduttore e semiconduttore e tra semiconduttore e impurità, causano il totale di elettroni liberi nel cristallo.

Anche se ogni volta che un elettrone libero viene creato durante la rottura di un legame covalente tra semiconduttore e semiconduttore, viene creato un vuoto nel legame rotto. Questi vuoti sono chiamati buchi. Ogni buco è considerato come l'equivalente positivo di un elettrone negativo, poiché viene creato a causa della mancanza di un elettrone. Qui gli elettroni sono i principali portatori di carica mobili. In un semiconduttore di tipo N ci saranno sia elettroni liberi che buchi.

Ma il numero di buchi è molto inferiore a quello degli elettroni, poiché i buchi vengono creati solo a causa della rottura del legame covalente tra semiconduttore e semiconduttore, mentre gli elettroni liberi vengono creati sia a causa degli elettroni di valenza non legati del quinto atomo di impurità, sia a causa della rottura dei legami covalenti tra semiconduttore e semiconduttore.

Pertanto, il numero di elettroni liberi >> il numero di buchi in un semiconduttore di tipo N. È per questo motivo che gli elettroni liberi sono chiamati portatori maggioritari, e i buchi sono chiamati portatori minoritari in un semiconduttore di tipo N. Poiché gli elettroni caricati negativamente sono principalmente coinvolti nel trasferimento di carica attraverso questo semiconduttore, esso viene chiamato semiconduttore di tipo negativo o di tipo N. Anche se ci sono molti elettroni liberi nel cristallo, esso rimane elettricamente neutro poiché il numero totale di protoni e il numero totale di elettroni sono uguali.