Что такое полупроводник типа N?

Что такое полупроводник типа N?

Определение полупроводника типа N

Полупроводник типа N определяется как тип полупроводника, который был легирован пятивалентными примесями для увеличения его проводимости путем добавления свободных электронов.

Прежде чем понять, что такое полупроводник типа N, следует обратиться к основам атомной науки. Атомы стремятся иметь восемь электронов в своем внешнем слое, известном как валентные электроны. Не все атомы достигают этого, но все они стремятся достичь этой стабильной конфигурации.

Электроны, находящиеся во внешнем слое атома, называются валентными электронами. Если во внешнем слое атома нет восьми электронов, то будет столько же вакансий, сколько недостает электронов в этом слое. Эти вакансии всегда готовы принять электроны, чтобы заполнить восемь электронов во внешнем слое атома.

Наиболее часто используемые полупроводники — это кремний и германий. Кремний имеет 14 электронов, расположенных как 2, 8, 4, а германий — 32 электрона, расположенных как 2, 8, 18, 4. Оба полупроводника имеют четыре электрона во внешнем слое, оставляя вакансии для еще четырех электронов.

Каждый из четырех валентных электронов кремния или германия образует ковалентную связь с соседними атомами, заполняя вакансии. Идеально, все валентные электроны в кристалле полупроводника участвуют в ковалентных связях, поэтому в кристалле не должно быть свободных электронов.

Но на самом деле это не так. При абсолютном нуле (0o Кельвин) в кристалле не будет свободных электронов, но когда температура повышается от абсолютного нуля до комнатной, число валентных электронов в связях термически возбуждаются и выходят из связи, создавая множество свободных электронов в кристалле. Эти свободные электроны вызывают проводимость полупроводниковых материалов при любой температуре выше абсолютного нуля.

Существует метод увеличения проводимости полупроводников при любой температуре выше абсолютного нуля. Этот метод называется легированием. В этом методе чистый или интрасемикондуктор легируется пятивалентными примесями, такими как сурьма, мышьяк и фосфор. Эти атомы примесей заменяют некоторые атомы полупроводника в кристалле и занимают их позиции. Поскольку атомы примесей имеют пять валентных электронов во внешнем слое, четыре из них создадут ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника.

Один валентный электрон атома примеси не получает шанса участвовать в ковалентной связи и становится менее прочно связанным с родительским атомом примеси. При комнатной температуре эти слабо связанные пятые валентные электроны атомов примесей могут выйти из своего положения вследствие термического возбуждения.

В результате этого явления будет значительное количество свободных электронов, но по-прежнему происходят разрывы ковалентных связей в кристалле вследствие термического возбуждения при комнатной температуре. Свободные электроны, кроме свободных электронов, созданных вследствие разрыва ковалентных связей между полупроводником и полупроводником, а также между полупроводником и примесями, вызывают общее количество свободных электронов в кристалле.

Хотя каждый раз, когда создается свободный электрон при разрыве ковалентной связи между полупроводником и полупроводником, создается вакансия в разорванной связи. Эти вакансии называются дырками. Каждая из этих дырок рассматривается как положительный эквивалент отрицательного электрона, поскольку она создается вследствие отсутствия одного электрона. Здесь электроны являются основными подвижными носителями заряда. В полупроводнике типа N будут как свободные электроны, так и дырки.

Но количество дырок значительно меньше, чем количество электронов, потому что дырки создаются только вследствие разрыва ковалентной связи между полупроводником и полупроводником, тогда как свободные электроны создаются как за счет слабо связанных небондированных пятых валентных электронов атомов примесей, так и за счет разрыва ковалентных связей между полупроводником и полупроводником.

Таким образом, количество свободных электронов >> количество дырок в полупроводнике типа N. Именно поэтому свободные электроны называются большинственными носителями, а дырки — меньшинственными носителями в полупроводнике типа N. Поскольку отрицательно заряженные электроны в основном участвуют в переносе заряда через этот полупроводник, он называется отрицательным типом или полупроводником типа N. Хотя в кристалле много свободных электронов, он остается электрически нейтральным, так как общее количество протонов равно общему количеству электронов.