Vad är en N-typ halvledare?
Vad är en N-typ halvledare?
Definition av N-typ halvledare
En n-typ halvledare definieras som en typ av halvledare som har dopats med pentavala föroreningar för att öka dess ledningsförmåga genom att lägga till fria elektroner.
Innan vi förstår vad en n-typ halvledare är, bör vi fokusera på grundläggande atomvetenskap. Atomer strävar efter att ha åtta elektroner i sin yttersta bana, kända som valenselektroner. Inte alla atomer uppnår detta, men de strävar alltid efter att nå denna stabila konfiguration.
Elektronerna i en atoms yttersta bana kallas för valenselektroner. Om den yttersta banan inte har åtta elektroner, kommer det att finnas så många tomrum som det saknas elektroner i banan. Dessa tomrum är alltid redo att acceptera elektroner för att fylla upp åtta elektroner i atomen.
De mest vanligt använda halvledarna är silikon och germanium. Silikon har 14 elektroner arrangerade som 2, 8, 4, medan germanium har 32 elektroner arrangerade som 2, 8, 18, 4. Båda halvledarna har fyra elektroner i sin yttersta bana, vilket lämnar tomrum för fyra fler elektroner.
Varje av de fyra valenselektronerna i silikon eller germanium bildar en kovalent bindning med grannatomer, vilket fyller tomrummen. I teorin är alla valenselektroner i ett halvledarkristall delaktiga i kovalenta bindningar, så det borde inte finnas några fria elektroner i kristallen.
Men detta är inte verkligheten. Vid absolut noll Kelvin skulle det inte finnas några fria elektroner i kristallen, men när temperaturen stiger från absolut noll till rumstemperatur, blir antalet valenselektroner i bindningarna termiskt upphettade och släpps från bindningen, vilket genererar ett antal fria elektroner i kristallen. Dessa fria elektroner orsakar halvledarmaterialens ledningsförmåga vid varje temperatur högre än absolut noll.
Det finns en metod för att öka halvledarnas ledningsförmåga vid varje temperatur högre än absolut noll. Denna metod kallas dopning. I denna metod dopas ren eller inbördes halvledare med pentavala föroreningar som antimon, arsenik och fosfor. Dessa föroreningsatomer ersätter vissa halvledaratomer i kristallen och tar deras positioner. Eftersom föroreningsatomerna har fem valenselektroner i den yttersta banan, skapar fyra av dem kovalenta bindningar med fyra angränsande halvledaratomer.
Ett valenselektron från föroreningsatomen får inte chansen att delta i kovalenta bindningar och blir mer löst bundet till föräldraföroreningsatomen. Vid rumstemperatur kan dessa lös kopplade femte valenselektroner från föroreningsatomerna komma ut ur sina positioner p.g.a. termisk upphettning.
P.g.a. detta fenomen kommer det att finnas ett betydande antal fria elektroner, men fortfarande finns det nedbrytningar av kovalenta bindningar i kristallen p.g.a. termisk upphettning vid rumstemperatur. De fria elektronerna, plus de fria elektronerna som skapas p.g.a. nedbrytning av halvledare till halvledare och halvledare till föroreningar kovalenta bindningar, orsakar det totala antalet fria elektroner i kristallen.
Även om det alltid skapas ett tomtomrum under nedbrytningen av en halvledare till halvledare kovalent bindning, kallas dessa tomtomrumsplatser för hål. Varje av dessa hål anses som ett positivt motsvarighet till ett negativt elektron eftersom det skapas p.g.a. brist på ett elektron. Här är elektronerna huvudmobil charge carriers. I en n-typ halvledare finns det både fria elektroner och hål.
Men antalet hål är ganska mindre än antalet elektroner eftersom hål skapas endast p.g.a. nedbrytning av halvledare till halvledare kovalenta bindningar, medan fria elektroner skapas både p.g.a. löst bundna icke-bindande femte valenselektroner från föroreningsatomer och nedbrytning av halvledare till halvledare kovalenta bindningar.
Därför är antalet fria elektroner >> antalet hål i en n-typ halvledare. Därför kallas fria elektroner för majoritetscarriers, och hål för minoritetscarriers i en n-typ halvledare. Eftersom negativt laddade elektroner huvudsakligen deltar i laddningsöverföring genom denna halvledare, kallas den för negativ typ eller n-typ halvledare. Även om det finns många fria elektroner i kristallen, är den fortfarande elektriskt neutral eftersom det totala antalet protoner och det totala antalet elektroner är lika.
