Hva er en N-type halvleder?

Hva er en N-type halvleder?

Definisjon av N-type halvleder

En n-type halvleder defineres som en type halvleder som har blitt dopet med pentavalente forurensninger for å øke dens ledningsevne ved å legge til frie elektroner.

Før vi forstår hva en n-type halvleder er, bør vi fokusere på grunnleggende atomfysikk. Atomer stræver etter å ha åtte elektroner i sin ytterste område, kjent som valenselektroner. Ikke alle atomer oppnår dette, men de stræver alle etter å nå denne stabile konfigurasjonen.

Elektronene i det ytterste området av et atom kalles valenselektroner. Hvis det ytterste området av et atom ikke har åtte elektroner, vil det være like mange tomrom som mangelen på elektroner i området. Disse tomrommene er alltid klare til å akseptere elektroner for å fylle åtte elektroner i det ytterste området av atomet.

De mest brukte halvlederne er silisium og germanium. Silisium har 14 elektroner ordnet som 2, 8, 4, mens germanium har 32 elektroner ordnet som 2, 8, 18, 4. Begge halvledere har fire elektroner i sitt ytterste område, noe som lar fire mer elektroner bli plassert der.

Hvert av de fire valenselektronene i silisium eller germanium danner en kovalent binding med naboatomer, fyller tomrommene. Ideelt sett er alle valenselektroner i et halvlederkristall involvert i kovalente bindinger, så det burde ikke være noen frie elektroner i kristallet.

Men dette er ikke den faktiske situasjonen. Ved absolutt 0o Kelvin ville det ikke være noen frie elektroner i kristallet, men når temperaturen stiger fra absolutt null til romtemperatur, blir antallet valenselektroner i bindingene termisk opphisset og kommer ut av bindingen og genererer et antall frie elektroner i kristallet. Disse frie elektronene fører til ledningsevnen til halvledermaterialene ved enhver temperatur høyere enn absolutt null.

Det finnes en metode for å øke ledningsevnen til halvledere ved enhver temperatur høyere enn absolutt null. Denne metoden kalles doping. I denne metoden dopes rent eller intrinsisk halvleder med pentavalente forurensninger som antimon, arsenik og fosfor. Disse forurensningsatomer erstatter noen av halvlederatomene i kristallet og tar deres posisjoner. Siden forurensningsatomene har fem valenselektroner i det ytterste området, vil fire av dem skape en kovalent binding med fire nabo-halvlederatomer.

Et valenselektron fra forurensningsatomet får ikke muligheten til å delta i kovalent binding og blir mer løs forbundet med foreldre-forurensningsatomet. Ved romtemperatur kan disse løst forbundne femte valenselektronene fra forurensningsatomer komme ut av sin posisjon på grunn av termisk opphissing.

På grunn av dette fenomenet, vil det være et betydelig antall frie elektroner, men fortsatt er det brudd på kovalente bindinger i kristallet på grunn av termisk opphissing ved romtemperatur. De frie elektronene i tillegg til frie elektroner opprettet på grunn av brudd på halvleder til halvleder og halvleder til forurensningsatomer kovalente bindinger fører til totalen av frie elektroner i kristallet.

Selv om hver gang et fritt elektron opprettes under nedbryting av en halvleder til halvleder kovalent binding, opprettes det et tomrom i den brutte bindingen. Disse tomrommene refereres til som hull. Hvert av disse hullene regnes som et positivt ekvivalent til et negativt elektron da det opprettes på grunn av mangel på et elektron. Her er elektroner de viktigste mobile ladningsbærerne. I en n-type halvleder vil det være både frie elektroner og hull.

Men antallet hull er ganske mindre enn antallet elektroner fordi hull opprettes bare på grunn av nedbryting av halvleder til halvleder kovalent binding, mens frie elektroner opprettes både på grunn av løst forbundet ikke-bondet femte valenselektron fra forurensningsatomer og nedbryting av halvleder til halvleder kovalente bindinger.

Derfor er antallet frie elektroner >> antallet hull i n-type halvleder. Det er derfor at frie elektroner kalles flertallsbærere, og hull kalles minoritetsbærere i n-type halvleder. Ettersom negativt ladde elektroner hovedsakelig deltar i ladningsoverføring gjennom denne halvlederen, refereres det til som negativ type eller n-type halvleder. Selv om det er mange frie elektroner i kristallet, er det fremdeles elektrisk nøytralt da det totale antallet protoner og det totale antallet elektroner er like.