Donorer og acceptorforureninger i halvledere

Doping Definition

Doping er processen med at tilføje forurenende stoffer til en halvleder for at ændre dens ledningsegenskaber.

Donorforureninger

Donorforureninger er pentavalente atomer, der tilføjes til halvledere, og bidrager med ekstra frie elektroner, hvilket skaber n-type halvledere.

N-Type Halvleder

Når n-type eller donorforureninger tilføjes til en halvleder, bliver det forbudte energiinterval i gitterstrukturen smalere. Donoratomer indfører nye energiniveauer lige under ledebandet. Disse niveauer er diskrete, da forureningstyperne er langt fra hinanden og interagerer minimalt. I germanium er energiintervallet 0,01 eV, og i silicium er det 0,05 eV ved rumtemperatur. Så ved rumtemperatur går den femte elektron fra donoratomerne over i ledebandet. Den øgede mængde af elektroner fører til færre huller.

Antallet af huller pr. enhedsvolumen i en n-type halvleder er endnu lavere end i samme enhedsvolumen af en intrinsisk halvleder ved samme temperatur. Dette skyldes de ekstra elektroner, og der vil være en højere rekombinationsrate af elektron-hul par end i en ren eller intrinsk halvleder.

P-Type Halvleder

Hvis i stedet for pentavalent forureningsstof tilføjes et trivalent forureningsstof til den intrinske halvleder, vil der i stedet for ekstra elektroner opstå ekstra huller i krystallet. Når et trivalent forureningsstof tilføjes til halvlederkristallet, erstatter trivalente atomer nogle af de tetravalente halvlederatomer. De tre (3) valenselektroner fra trivalent forureningsatomen danner binding med tre nabo-halvlederatomer. Derfor vil der være mangel på et elektron i en binding af det fjerde nabo-halvlederatom, hvilket bidrager med et hul i kristallet. Da trivalente forureningsstoffer bidrager med ekstra huller til halvlederkristallet, og disse huller kan acceptere elektroner, refereres disse forureningsstoffer som acceptorforureningsstoffer. Eftersom hullerne virtuelt bærer positiv ladning, refereres de som positive -type eller p-type forureningsstoffer, og halvlederen med p-type forureningsstoffer kaldes p-type halvleder.

Tilføjelse af trivalente forureningsstoffer til en halvleder skaber et diskret energiniveau lige over valencebandet. Det lille interval mellem valencebandet og dette nye energiniveau gør det let for elektroner at bevæge sig til det højere niveau med en lille mængde ekstern energi. Når et elektron flytter sig til dette nye niveau, efterlader det et tomrum, eller hul, i valencebandet.

Når vi tilføjer en n-type forureningsstof til halvlederen, vil der være ekstra elektroner i krystallet, men det betyder ikke, at der ikke vil være nogen huller. På grund af den intrinske natur af halvlederen ved rumtemperatur, vil der altid være nogle elektron-hul par i halvlederen. På grund af tilføjelsen af n-type forureningsstoffer, vil elektroner blive tilføjet til disse elektron-hul par, og antallet af huller vil også blive reduceret på grund af ekstra rekombination for ekstra elektroner. Derfor vil det totale antal negative ladningsbærere eller frie elektroner være større end antallet af huller i n-type halvlederen. Derfor kalder man elektroner for majoritetsladningsbærere, mens huller kaldes minoritetsladningsbærere i n-type halvledere. Ligeså i p-type halvledere kaldes hullerne for majoritetsladningsbærere, og elektroner kaldes minoritetsladningsbærere.

Acceptorforureningsstoffer

Acceptorforureningsstoffer er trivalente atomer, der tilføjes til halvledere, og skaber ekstra huller, hvilket danner p-type halvledere.