Wat is een N-type halfgeleider?

Wat is een N-type halfgeleider?

Definitie van een N-type halfgeleider

Een n-type halfgeleider wordt gedefinieerd als een type halfgeleider dat met pentavalente impuriteiten is gedopeerd om de geleidbaarheid te verhogen door vrije elektronen toe te voegen.

Voordat we begrijpen wat een n-type halfgeleider is, moeten we ons richten op basisatoomkunde. Atomen streven ernaar om acht elektronen in hun buitenste baan te hebben, bekend als valentie-elektronen. Niet alle atomen bereiken dit, maar ze streven er allemaal naar om deze stabiele configuratie te bereiken.

De elektronen in de buitenste baan van een atoom worden valentie-elektronen genoemd. Als de buitenste baan van een atoom geen acht elektronen heeft, dan zijn er evenveel vacatures als het tekort aan elektronen in de baan. Deze vacatures staan altijd klaar om elektronen te accepteren om acht elektronen in de buitenste baan van het atoom te vervullen.

De meest gebruikte halfgeleiders zijn silicium en germanium. Silicium heeft 14 elektronen gerangschikt als 2, 8, 4, terwijl germanium 32 elektronen heeft gerangschikt als 2, 8, 18, 4. Beide halfgeleiders hebben vier elektronen in hun buitenste baan, waardoor er vacatures zijn voor vier extra elektronen.

Elk van de vier valentie-elektronen in silicium of germanium vormt een covalente binding met naburige atomen, waardoor de vacatures worden gevuld. Ideaal gezien zijn alle valentie-elektronen in een halfgeleiderkristal betrokken bij covalente bindingen, dus er zouden geen vrije elektronen in het kristal moeten zijn.

Maar dit is niet het werkelijke geval. Bij absoluut 0o Kelvin zou er geen vrij elektron in het kristal zijn, maar wanneer de temperatuur stijgt van absoluut nul naar kamertemperatuur, worden veel valentie-elektronen in de bindingen thermisch geëxciteerd en komen ze uit de binding, waardoor een aantal vrije elektronen in het kristal ontstaat. Deze vrije elektronen veroorzaken de geleidbaarheid van halfgeleidermaterialen bij elke temperatuur hoger dan absoluut nul.

Er is een methode om de geleidbaarheid van halfgeleiders te verhogen bij elke temperatuur hoger dan absoluut nul. Deze methode wordt doping genoemd. Hierbij wordt een zuivere of intrinsieke halfgeleider gedopeerd met pentavalente impuriteiten zoals antimoon, arseen en fosfor. Deze impuriteitenatomen vervangen sommige halfgeleideratomen in het kristal en nemen hun posities in. Omdat de impuriteitenatomen vijf valentie-elektronen in de buitenste baan hebben, zullen er vier van hen covalente bindingen vormen met vier aangrenzende halfgeleideratomen.

Één valentie-elektron van het impuriteitenatoom krijgt geen kans om betrokken te raken bij covalente bindingen en wordt losser verbonden met het moederimpuriteitenatoom. Bij kamertemperatuur kunnen deze los gebonden vijfde valentie-elektronen van impuriteitenatomen door thermische opwinding uit hun positie komen.

Door dit fenomeen zal er een aanzienlijk aantal vrije elektronen zijn, maar er zijn nog steeds breuken in covalente bindingen in het kristal door thermische opwinding bij kamertemperatuur. De vrije elektronen, naast de vrije elektronen die ontstaan door de breuk van halfgeleider tot halfgeleider en halfgeleider tot impuriteiten covalente bindingen, veroorzaken het totale aantal vrije elektronen in het kristal.

Hoewel telkens wanneer een vrij elektron tijdens de breuk van een halfgeleider tot halfgeleider covalente binding wordt gecreëerd, er een vacature ontstaat in de gebroken binding. Deze vacatures worden gaten genoemd. Elk van deze gaten wordt beschouwd als het positieve equivalent van een negatief elektron, omdat het ontstaat door het gebrek aan één elektron. Hier zijn elektronen de belangrijkste mobiele ladingdragers. In een n-type halfgeleider zijn er zowel vrije elektronen als gaten.

Maar het aantal gaten is aanzienlijk kleiner dan dat van elektronen, omdat gaten alleen worden gecreëerd door de breuk van halfgeleider tot halfgeleider covalente bindingen, terwijl vrije elektronen zowel worden gecreëerd door los gebonden niet-gebonden vijfde valentie-elektronen van impuriteitenatomen als door de breuk van halfgeleider tot halfgeleider covalente bindingen.

Daarom is het aantal vrije elektronen >> het aantal gaten in een n-type halfgeleider. Daarom worden vrije elektronen meerderheidsdragers genoemd, en gaten minderheidsdragers in een n-type halfgeleider. Aangezien negatief geladen elektronen hoofdzakelijk betrokken zijn bij ladingsoverdracht door deze halfgeleider, wordt hij negatieve type of n-type halfgeleider genoemd. Hoewel er veel vrije elektronen in het kristal zijn, is het elektrisch neutraal, omdat het totale aantal protonen en het totale aantal elektronen gelijk zijn.