Dopirajuće i prihvatljive nečistoće u poluprovodnicima

Definicija dopiranja

Dopiranje je postupak dodavanja nečistoća poluprovodniku kako bi se promijenile njegove provodne osobine.

Donorske nečistoće

Donorske nečistoće su pentavalentni atomi dodani poluprovodnicima, koji pružaju dodatne slobodne elektrone, stvarajući n-tipove poluprovodnike.

N-tip poluprovodnik

Kada su n-tip ili donorske nečistoće dodane poluprovodniku, zabranjena energetska razlika u kristalnoj strukturi se uskoči. Donorski atomi uvode nove energetske razinje samo ispod vodilne zonice. Ove razinje su diskretne jer su atomske nečistoće daleko odvojene i minimalno interagiraju. U germaniju, energetska razlika iznosi 0,01 eV, a u siliciju 0,05 eV pri sobnoj temperaturi. Stoga, pri sobnoj temperaturi, peta elektrona s donorskih atoma ulazi u vodilnu zonicu. Povećan broj elektrona dovodi do manjeg broja rupe.

Broj rupa po jedinici volumena u n-tipu poluprovodnika još je manji nego u istoj jedinici volumena intrinsičnog poluprovodnika pri istoj temperaturi. To je posljedica viška elektrona, a stopa rekompozicije parova elektron-rupe bit će veća nego u čistom ili intrinsičnom poluprovodniku.

P-tip poluprovodnik

Ako umjesto pentavalentnih nečistoća, trivalentne nečistoće budu dodane intrinsičnom poluprovodniku, tada umjesto viška elektrona, u kristalu će nastati višak rupa. Kada se trivalentna nečistoća doda kristalu poluprovodnika, trivalentni atomi zamijenit će neke tetra-valentne atome poluprovodnika. Tri (3) valentna elektrona trivalentne nečistoće formirat će vezu s tri susjedna semiprovodnička atoma. Stoga, nedostajat će jedan elektron u jednoj vezi sa četvrtim susjednim atomom poluprovodnika, što doprinosi rupe kristalu. Budući da trivalentne nečistoće pružaju višak rupa poluprovodničkom kristalu, a ove rupe mogu prihvatiti elektrone, ove nečistoće nazivaju se akceptorskim nečistoćama. Budući da rupe nosile pozitivnu naboj, ove nečistoće nazivaju se pozitivnim tipom ili p-tipom, a poluprovodnik s p-tipom nečistoćama naziva se p-tip poluprovodnik.

Dodavanje trivalentnih nečistoća poluprovodniku stvara diskretnu energetsku razinju samo iznad valentne zone. Mala razlika između valentne zone i ove nove energetske razinje omogućuje elektronima lako kretanje na višu razinju s malom količinom vanjske energije. Kada elektron prelazi na tu novu razinju, ostavlja prazninu, ili rupe, u valentnoj zoni.

Kada dodamo n-tip nečistoću poluprovodniku, u kristalu će biti višak elektrona, ali to ne znači da neće biti rupe. Zbog intrinsične prirode poluprovodnika pri sobnoj temperaturi, u poluprovodniku uvijek postoje parovi elektron-rupe. Dodavanjem n-tipa nečistoća, elektroni se dodaju tim parovima elektron-rupe, a broj rupa smanjuje zbog viška rekompozicije za višak elektrona. Stoga, ukupan broj negativnih nositelja naboja ili slobodnih elektrona bit će veći od broja rupa u n-tipu poluprovodnika. Zbog toga, u n-tipu poluprovodnika, elektroni se nazivaju glavnim nositeljima naboja, dok se rupe nazivaju manjinskim nositeljima naboja. Slično tome, u p-tipu poluprovodnika, rupe se nazivaju glavnim nositeljima naboja, a elektroni manjinskim nositeljima naboja.

Akceptorske nečistoće

Akceptorske nečistoće su trivalentni atomi dodani poluprovodnicima, stvarajući višak rupa, formirajući p-tip poluprovodnike.