Що таке напівпровідник типу N?
Що таке n-тип напівпровідник?
Визначення n-типу напівпровідника
n-тип напівпровідник визначається як тип напівпровідника, який був легований п'ятизарядними домішками для збільшення його провідності за рахунок додавання вільних електронів.
Перед тим, як зрозуміти, що таке n-тип напівпровідник, ми повинні зосередитися на основах атомної науки. Атоми намагаються мати вісім електронів у своїй зовнішній орбіті, відомих як валентні електрони. Не всі атоми досягають цього, але всі вони прагнуть досягнути цієї стабільної конфігурації.
Електрони, знаходящіся у зовнішній орбіті атома, називаються валентними електронами. Якщо зовнішня орбіта атома не має вісім електронів, то буде стільки ж вакансій, скільки недостатку електронів у орбіті. Ці вакансії завжди готові прийняти електрони, щоб заповнити вісім електронів у зовнішній орбіті атома.
Найпоширенішими напівпровідниками є кремній та германій. Кремній має 14 електронів, розташованих як 2, 8, 4, а германій має 32 електрони, розташовані як 2, 8, 18, 4. Обидва напівпровідники мають чотири електрони у своїй зовнішній орбіті, залишаючи вакансії для чотирьох електронів.
Кожен з чотирьох валентних електронів кремнію або германію утворює ковалентний зв'язок з сусідніми атомами, заповнюючи вакансії. Ідеально, всі валентні електрони в кристалі напівпровідника брали б участь у ковалентних зв'язках, тому в кристалі не повинно бути вільних електронів.
Але це не реальна ситуація. При абсолютному нулі Кельвіна в кристалі не було б вільних електронів, але коли температура підвищується від абсолютного нуля до кімнатної, кількість валентних електронів у зв'язках термічно збуджується і виходить зі зв'язку, створюючи кількість вільних електронів у кристалі. Ці вільні електрони спричиняють провідність напівпровідникових матеріалів при будь-якій температурі, вищій за абсолютний нуль.
Існує метод збільшення провідності напівпровідників при будь-якій температурі, вищій за абсолютний нуль. Цей метод називається легуванням. У цьому методі чистий або внутрішній напівпровідник легується п'ятизарядними домішками, такими як антимон, арсеній та фосфор. Ці атоми домішки замінюють деякі атоми напівпровідника в кристалі і займають їхні позиції. Оскільки атоми домішки мають п'ять валентних електронів у зовнішній орбіті, чотири з них утворюють ковалентний зв'язок з чотирма суміжними атомами напівпровідника.
Один валентний електрон атома домішки не має можливості взяти участь у ковалентному зв'язку і стає менш прив'язаним до батьківського атома домішки. При кімнатній температурі, ці слабко прикріплені п'ятий валентний електрон атома домішки може вийти зі своєї позиції через термічне збудження.
З цієї причини, буде значна кількість вільних електронів, але все ще відбуваються руйнування ковалентних зв'язків у кристалі через термічне збудження при кімнатній температурі. Вільні електрони, окрім вільних електронів, створених через руйнування ковалентних зв'язків напівпровідник-напівпровідник та напівпровідник-домішка, спричиняють загальну кількість вільних електронів у кристалі.
Хоча кожного разу, коли створюється вільний електрон під час руйнування ковалентного зв'язку напівпровідник-напівпровідник, створюється вакансія у зруйнованому зв'язку. Ці вакансії називаються дірами. Кожна з цих дір вважається позитивним еквівалентом негативного електрона, оскільки вона створюється через відсутність одного електрона. Тут електрони є основними рухомими носіями заряду. У n-типі напівпровідника будуть як вільні електрони, так і діри.
Але кількість дір значно менша, ніж кількість електронів, оскільки діри створюються лише через руйнування ковалентного зв'язку напівпровідник-напівпровідник, тоді як вільні електрони створюються як через слабко прикріплений нев'язаний п'ятий валентний електрон атома домішки, так і через руйнування ковалентних зв'язків напівпровідник-напівпровідник.
Отже, кількість вільних електронів >> кількість дір у n-типі напівпровідника. Саме тому вільні електрони називаються переважаючими носіями, а діри — непереважаючими носіями у n-типі напівпровідника. Оскільки негативно заряджені електрони в основному беруть участь у перенесенні заряду через цей напівпровідник, він називається негативним типом або n-типом напівпровідника. Хоча у кристалі є багато вільних електронів, він все одно електрично нейтральний, оскільки загальна кількість протонів і загальна кількість електронів дорівнюють.
