Co to jest półprzewodnik typu N?

Czym jest półprzewodnik typu N?

Definicja półprzewodnika typu N

Półprzewodnik typu N to rodzaj półprzewodnika, który został domieszkowany pięciowartościowymi domieszkami w celu zwiększenia jego przewodności poprzez dodanie wolnych elektronów.

Zanim zrozumiemy, czym jest półprzewodnik typu N, powinniśmy skupić się na podstawowej nauce atomowej. Atomy dążą do posiadania ośmiu elektronów w najbardziej zewnętrznej orbicie, zwanym elektronami walencyjnymi. Nie wszystkie atomy osiągają to, ale wszyscy starają się osiągnąć ten stabilny układ.

Elektrony w najbardziej zewnętrznej orbicie atomu nazywane są elektronami walencyjnymi. Jeśli najbardziej zewnętrzna orbita atomu nie ma ośmiu elektronów, to będzie tyle samo luk, ile brakuje elektronów w orbicie. Te luki są zawsze gotowe do przyjęcia elektronów, aby wypełnić ośmiu elektronów w najbardziej zewnętrznej orbicie atomu.

Najczęściej używanymi półprzewodnikami są krzem i german. Krzem ma 14 elektronów ułożonych jako 2, 8, 4, a german ma 32 elektronów ułożonych jako 2, 8, 18, 4. Oba półprzewodniki mają cztery elektrony w najbardziej zewnętrznej orbicie, pozostawiając luki dla czterech kolejnych elektronów.

Każdy z czterech elektronów walencyjnych w krzemu lub germanie tworzy wiązanie kowalencyjne z sąsiednimi atomami, wypełniając luki. Idealnie, wszystkie elektrony walencyjne w kryształu półprzewodnika są zaangażowane w wiązania kowalencyjne, więc w krysztale nie powinno być żadnych wolnych elektronów.

Ale tak naprawdę nie jest to prawda. W temperaturze absolutnego zera Kelvina nie byłoby żadnych wolnych elektronów w krysztale, ale gdy temperatura wzrasta od zera absolutnego do temperatury pokojowej, liczba elektronów walencyjnych w wiązaniach jest termicznie pobudzana i wychodzi z wiązania, generując liczbę wolnych elektronów w krysztale. Te wolne elektrony powodują przewodność materiałów półprzewodnikowych przy każdej temperaturze wyższej niż zero absolutne.

Istnieje metoda zwiększania przewodności półprzewodników przy każdej temperaturze wyższej niż zero absolutne. Ta metoda nazywa się domieszczaniem. W tej metodzie czysty lub intrinizyczny półprzewodnik jest domieszczany pięciowartościowymi domieszkami, takimi jak antymon, arsen i fosfor. Atomy domieszek zastępują niektóre atomy półprzewodnika w krysztale i zajmują ich pozycje. Ponieważ atomy domieszek mają pięć elektronów walencyjnych w najbardziej zewnętrznej orbicie, cztery z nich stworzą wiązanie kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami półprzewodnika.

Jeden elektron walencyjny atomu domieszki nie ma szansy zaangażować się w wiązanie kowalencyjne i staje się luźniej związany z macierzystym atomem domieszki. W temperaturze pokojowej te luźno związane piąte elektrony walencyjne atomów domieszek mogą opuścić swoją pozycję z powodu termicznej pobudki.

W wyniku tego zjawiska będzie istotna liczba wolnych elektronów, ale nadal występują rozpadające się wiązania kowalencyjne w krysztale z powodu termicznej pobudki w temperaturze pokojowej. Wolne elektrony, oprócz wolnych elektronów utworzonych w wyniku rozpadu wiązań kowalencyjnych półprzewodnik-półprzewodnik i półprzewodnik-domieszka, powodują całkowitą liczbę wolnych elektronów w krysztale.

Chociaż za każdym razem, gdy tworzy się wolny elektron w wyniku rozpadu wiązania kowalencyjnego półprzewodnik-półprzewodnik, powstaje luka w rozerwanym wiązaniu. Te luki są nazywane dziurami. Każda z tych dziur jest uważana za pozytywną odpowiedniość negatywnego elektronu, ponieważ powstaje z powodu braku jednego elektronu. Tutaj elektrony są głównymi nośnikami ładunku. W półprzewodniku typu N będą obecne zarówno wolne elektrony, jak i dziury.

Lecz liczba dziur jest znacznie mniejsza niż liczba elektronów, ponieważ dziury powstają tylko w wyniku rozpadu wiązania kowalencyjnego półprzewodnik-półprzewodnik, podczas gdy wolne elektrony powstają zarówno z luźno związanych niezwiązanych piątych elektronów walencyjnych atomów domieszek, jak i z rozpadu wiązań kowalencyjnych półprzewodnik-półprzewodnik.

Dlatego liczba wolnych elektronów >> liczba dziur w półprzewodniku typu N. Dlatego wolne elektrony nazywane są większościowymi nośnikami, a dziury mniejszościowymi nośnikami w półprzewodniku typu N. Ponieważ ujemnie naładowane elektrony są głównymi nośnikami ładunku przenoszącymi się przez ten półprzewodnik, nazywany jest on półprzewodnikiem ujemnego typu lub półprzewodnikiem typu N. Mimo że w krysztale jest wiele wolnych elektronów, nadal jest on elektrycznie neutralny, ponieważ całkowita liczba protonów i całkowita liczba elektronów są równe.