Šta je N tip poluprovodnički materijal?

Šta je N tip poluprovodnik?

Definicija N tipa poluprovodnika

N tip poluprovodnika definiše se kao vrsta poluprovodnika koja je dopirana pentavalentnim nečistoćama kako bi se povećala njegova provodljivost dodavanjem slobodnih elektrona.

Prije nego što razumemo šta je N tip poluprovodnika, trebalo bi se fokusirati na osnovnu atomsku nauku. Atomi teže da imaju osam elektrona u svojoj najspoljnjijoj orbiti, poznatim kao valentni elektroni. Ne svi atomi to postižu, ali svi se trude da dostignu tu stabilnu konfiguraciju.

Elektroni u najspoljnjijoj orbiti atoma nazivaju se valentni elektroni. Ako najspoljnjija orbita atoma nema osam elektrona, tada će biti onoliko praznina koliko nedostaje elektrona u orbiti. Ove praznine su uvijek spremne da prihvate elektrone kako bi ispunile osam elektrona u najspoljnjijoj orbiti atoma.

Najčešće korišćeni poluprovodnici su silicij i germanij. Silicij ima 14 elektrona raspoređenih kao 2, 8, 4, dok germanij ima 32 elektrona raspoređenih kao 2, 8, 18, 4. Obje vrste poluprovodnika imaju četiri elektrona u svojoj najspoljnjijoj orbiti, ostavljajući praznine za još četiri elektrona.

Svaki od četiri valentna elektrona u siliciju ili germaniju formira kovalentnu vezu sa susednim atomima, ispunjavajući praznine. Idealno, svi valentni elektroni u kristalu poluprovodnika uključeni su u kovalentne veze, tako da ne bi trebalo da bude slobodnih elektrona u kristalu.

Ali to nije stvaran slučaj. Na apsolutnoj nuli Kelvina ne bi bilo slobodnih elektrona u kristalu, ali kada temperatura poraste od apsolutne nule do sobne temperature, broj valentnih elektrona u vezama termički se uzbudiva i izlazi iz veza, generišući broj slobodnih elektrona u kristalu. Ovi slobodni elektroni uzrokuju provodljivost materijala poluprovodnika na bilo kojoj temperaturi većoj od apsolutne nule.

Postoji metoda povećanja provodljivosti poluprovodnika na bilo kojoj temperaturi većoj od apsolutne nule. Ova metoda se zove dopiranje. U ovoj metodi čisti ili intrinzični poluprovodnik dopira se pentavalentnim nečistoćama poput antimonijuma, arsenika i fosfora. Ovi atomi nečistoća zamjenjuju neke atome poluprovodnika u kristalu i zauzimaju njihove pozicije. Kako atomi nečistoća imaju pet valentnih elektrona u najspoljnjijoj orbiti, četiri od njih će stvoriti kovalentnu vezu sa četiri susedna atoma poluprovodnika.

Jedan valentni elektron atoma nečistoće ne dobija priliku da uključi se u kovalentnu vezu i postaje više lako vezan za roditeljski atom nečistoće. Na sobnoj temperaturi, ovi lako vezani peti valentni elektroni atoma nečistoće mogu izaći iz svoje pozicije zbog termičkog uzbuđenja.

Zahvaljujući ovom fenomenu, bit će značajan broj slobodnih elektrona, ali ipak, postoje prekidi kovalentnih veza u kristalu zbog termičkog uzbuđenja na sobnoj temperaturi. Slobodni elektroni, uz slobodne elektrone stvorene zbog prekida poluprovodničkih veza između poluprovodnika i poluprovodnika i između poluprovodnika i nečistoća, uzrokuju ukupan broj slobodnih elektrona u kristalu.

Iako kada se slobodni elektron stvori tokom prekida kovalentne veze između poluprovodnika i poluprovodnika, stvara se praznina u prekinutoj vezi. Ove praznine se nazivaju rupe. Svaka od ovih rupa smatra se pozitivnim ekvivalentom negativnog elektrona, jer se stvara zbog nedostatka jednog elektrona. Ovdje su elektroni glavni mobilni nosioci naboja. U N tipu poluprovodnika bit će i slobodni elektroni i rupe.

Ali broj rupa je znatno manji od broja elektrona, jer se rupe stvaraju samo zbog prekida kovalentnih veza između poluprovodnika i poluprovodnika, dok se slobodni elektroni stvaraju i zbog lako vezanog nepovezanog petog valentnog elektrona atoma nečistoće i zbog prekida kovalentnih veza između poluprovodnika i poluprovodnika.

Stoga, broj slobodnih elektrona >> broj rupa u N tipu poluprovodnika. Zbog toga se slobodni elektroni nazivaju većinskim nosiocima, a rupe manjinskim nosiocima u N tipu poluprovodnika. Budući da se negativno nabijeni elektroni uglavnom uključuju u prenos naboja kroz ovaj poluprovodnik, on se naziva negativni tip ili N tip poluprovodnik. Iako u kristalu postoji mnogo slobodnih elektrona, i dalje je električno neutralan, jer je ukupan broj protona i ukupan broj elektrona jednak.