Impurities Donors i Acceptors en Semiconductors

Definició de Doping

El doping és el procés d'afegir impuretes a un semiconducteur per canviar les seves propietats conductives.

Impuretes Donadores

Les impuretes donadores són àtoms pentavalents afegits als semiconductors, que contribueixen amb electrons lliures addicionals, creant semiconductors n-típics.

Semiconductor n-típic

Quan s'afegeixen impuretes n-típiques o donadores a un semiconductor, la banda prohibida d'energia en la estructura reticular es redueix. Els àtoms donadors introduïxen nous nivells d'energia just per sota de la banda de conducció. Aquests nivells són discrets perquè els àtoms d'impuretes estan ben separats i interactuen mínimament. En el germàni, la brecha d'energia és de 0,01 eV, i en el silici, és de 0,05 eV a temperatura ambiente. Així, a temperatura ambiente, el cinquè electró dels àtoms donadors entra a la banda de conducció. L'augment del nombre d'electrons porta a menys forats.

El nombre de forats per unitat de volum en un semiconductor n-típic és encara més baix que en la mateixa unitat de volum d'un semiconductor intrínsec a la mateixa temperatura. Això és degut a l'exès d'electrons, i hi haurà una major taxa de recombinació d'electrons-forats que en un semiconductor pur o intrínsec.

Semiconductor p-típic

Si en lloc d'una impureta pentavalent, s'afegeix una impureta trivalent al semiconductor intrínsec, llavors en lloc d'un excedent d'electrons, es crearà un excedent de forats en el cristall. Perquè quan s'afegeix una impureta trivalent al cristall de semiconductor, els àtoms trivalents reemplacen alguns dels àtoms tetravalents del semiconductor. Els tres (3) electrons de valència de l'àtom d'impureta trivalent formaran enllaços amb tres àtoms de veïnatge del semiconductor. Per tant, hi haurà la falta d'un electró en un enllaç del quart àtom de veïnatge del semiconductor, que contribuirà amb un forat al cristall. Com que les impuretes trivalents contribueixen amb un excedent de forats al cristall de semiconductor, i aquests forats poden acceptar electrons, aquestes impuretes s'anomenen impuretes acceptores. Com que els forats porten pràcticament càrrega positiva, aquestes impuretes s'anomenen impuretes de tipus positiu o p-típiques, i el semiconductor amb impuretes p-típiques es diu semiconductor p-típic.

Afegir impuretes trivalents a un semiconductor crea un nivell d'energia discret just per sobre de la banda de valència. La petita brecha entre la banda de valència i aquest nou nivell d'energia permet que els electrons es moguin fàcilment a un nivell superior amb una quantitat petita d'energia externa. Quan un electró es mou a aquest nou nivell, deixa un buit, o forat, a la banda de valència.

Quan s'afegeix una impureta n-típica al semiconductor, hi haurà un excedent d'electrons en el cristall, però això no significa que no hi hagi cap forat. Degut a la naturalesa intrínseca del semiconductor a temperatura ambiente, sempre hi ha algunes parelles electron-forat en el semiconductor. Degut a l'addició d'impuretes n-típiques, s'afegeixen electrons a aquestes parelles electron-forat i també es redueix el nombre de forats per recombinació excessiva per electrons excessius. Per tant, el nombre total de portadors de càrrega negativa o electrons lliures serà més gran que el de forats en el semiconductor n-típic. És per això que en el semiconductor n-típic, els electrons es diuen portadors de càrrega majoritària, mentre que els forats són anomenats portadors de càrrega minoritària. De manera similar, en el semiconductor p-típic, els forats es diuen portadors de càrrega majoritària i els electrons, portadors de càrrega minoritària.

Impuretes Acceptores

Les impuretes acceptores són àtoms trivalents afegits als semiconductors, creant un excedent de forats, formant semiconductors p-típics.