อะไรคือสารกึ่งตัวนำประเภท N

อะไรคือสารกึ่งตัวนำชนิด N

คำนิยามของสารกึ่งตัวนำชนิด N

สารกึ่งตัวนำชนิด N ถูกกำหนดให้เป็นประเภทของสารกึ่งตัวนำที่ได้รับการปนเปื้อนด้วยสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์ห้า เพื่อเพิ่มความนำไฟฟ้าโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนเสรี

ก่อนที่จะเข้าใจว่าสารกึ่งตัวนำชนิด N คืออะไร เราควรศึกษาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์อะตอมพื้นฐาน อะตอมมีเป้าหมายในการมีอิเล็กตรอนแปดตัวในวงโคจรนอกสุด ซึ่งเรียกว่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์ ไม่ใช่ทุกอะตอมที่สามารถทำได้ แต่ทั้งหมดพยายามที่จะเข้าสู่โครงสร้างที่มั่นคงนี้

อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดของอะตอมเรียกว่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์ หากวงโคจรนอกสุดของอะตอมไม่มีอิเล็กตรอนแปดตัว จะมีช่องว่างเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ขาดหายไปในวงโคจรเหล่านี้ ช่องว่างเหล่านี้พร้อมเสมอที่จะยอมรับอิเล็กตรอนเพื่อเติมเต็มให้มีแปดอิเล็กตรอนในวงโคจรนอกสุดของอะตอม

สารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดคือซิลิกอนและเจอร์เมเนียม ซิลิกอนมีอิเล็กตรอน 14 ตัวจัดเรียงเป็น 2, 8, 4 ส่วนเจอร์เมเนียมมีอิเล็กตรอน 32 ตัวจัดเรียงเป็น 2, 8, 18, 4 ทั้งสองสารกึ่งตัวนำมีอิเล็กตรอนสี่ตัวในวงโคจรนอกสุด ทำให้มีช่องว่างสำหรับอิเล็กตรอนสี่ตัว

อิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัวในซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียมแต่ละตัวจะสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมข้างเคียง ทำให้ช่องว่างเต็ม ในทางทฤษฎี อิเล็กตรอนวาเลนซ์ทั้งหมดในผลึกสารกึ่งตัวนำมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะโคเวเลนต์ ดังนั้นไม่ควรมีอิเล็กตรอนเสรีในผลึก

แต่นี่ไม่ใช่กรณีที่แท้จริง ที่อุณหภูมิ 0o เคลวินจะไม่มีอิเล็กตรอนเสรีในผลึก แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจากอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ถึงอุณหภูมิห้อง จำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ในพันธะจะถูกกระตุ้นโดยความร้อน และออกจากพันธะ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนเสรีในผลึก ซึ่งทำให้สารกึ่งตัวนำมีความนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิใดๆ ที่สูงกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์

มีวิธีหนึ่งในการเพิ่มความนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิใดๆ ที่สูงกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ วิธีนี้เรียกว่าการปนเปื้อน ในวิธีนี้ สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์หรือภายในจะถูกปนเปื้อนด้วยสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์ห้า เช่น แอนติโมนี สารอาร์เซนิค และฟอสฟอรัส สิ่งเจือปนเหล่านี้จะแทนที่อะตอมสารกึ่งตัวนำบางตัวในผลึกและครอบครองตำแหน่งของพวกเขา ด้วยสิ่งเจือปนมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ห้าตัวในวงโคจรนอกสุด สี่ตัวจะสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมสารกึ่งตัวนำสี่ตัวข้างเคียง

อิเล็กตรอนวาเลนซ์หนึ่งตัวของสิ่งเจือปนไม่ได้มีโอกาสเข้าร่วมในการสร้างพันธะโคเวเลนต์ และมีการผูกมัดที่หลวมลงกับอะตอมสิ่งเจือปน เมื่ออุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ห้าของสิ่งเจือปนที่ผูกมัดหลวมๆ นี้สามารถออกจากตำแหน่งได้เนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อน

เนื่องจากปรากฏการณ์นี้ จะมีจำนวนอิเล็กตรอนเสรีที่มาก แต่ยังมีการแตกของพันธะโคเวเลนต์ในผลึกเนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อนที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนเสรีที่เพิ่มขึ้นจากการแตกของพันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสารกึ่งตัวนำและระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสิ่งเจือปน ทำให้เกิดจำนวนอิเล็กตรอนเสรีรวมในผลึก

แม้ว่าเมื่อมีการสร้างอิเล็กตรอนเสรีจากการแตกของพันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสารกึ่งตัวนำ จะมีช่องว่างที่เกิดขึ้นในพันธะที่แตก ช่องว่างเหล่านี้เรียกว่าหลุม แต่ละหลุมถือเป็นค่าบวกที่เทียบเท่ากับอิเล็กตรอนลบ เนื่องจากเกิดขึ้นจากการขาดอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ที่นี่ อิเล็กตรอนเป็นพาหะประจุหลัก ในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะมีทั้งอิเล็กตรอนเสรีและหลุม

แต่จำนวนหลุมน้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอนมาก เพราะหลุมเกิดขึ้นเฉพาะจากการแตกของพันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสารกึ่งตัวนำ ในขณะที่อิเล็กตรอนเสรีเกิดขึ้นทั้งจากการผูกมัดหลวมๆ ของอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ห้าของสิ่งเจือปนและจากการแตกของพันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสารกึ่งตัวนำ

ดังนั้น จำนวนอิเล็กตรอนเสรี >> จำนวนหลุมในสารกึ่งตัวนำชนิด N นั่นคือเหตุผลที่อิเล็กตรอนเสรีเรียกว่าพาหะหลัก และหลุมเรียกว่าพาหะรองในสารกึ่งตัวนำชนิด N เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเป็นหลักในการขนส่งประจุผ่านสารกึ่งตัวนำนี้ จึงเรียกว่าสารกึ่งตัวนำชนิดลบหรือสารกึ่งตัวนำชนิด N แม้ว่าจะมีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมากในผลึก แต่ก็ยังเป็นกลางทางไฟฟ้า เนื่องจากจำนวนโปรตอนทั้งหมดและจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดเท่ากัน