Impurezze Donatrici e Accettatrici nei Semiconduttori

Definizione di Doping

Il doping è il processo di aggiunta di impurezze a un semiconduttore per modificare le sue proprietà conduttive.

Impurezze Donatrici

Le impurezze donatrici sono atomi pentavalenti aggiunti ai semiconduttori, che contribuiscono con elettroni liberi in eccesso, creando semiconduttori n-type.

Semiconduttore n-Type

Quando si aggiungono impurezze n-type o donatrici a un semiconduttore, la forbice di energia proibita nella struttura reticolare si restringe. Gli atomi donatori introducono nuovi livelli energetici appena sotto la banda di conduzione. Questi livelli sono discreti perché gli atomi di impurità sono distanti tra loro e interagiscono minimamente. Nel germanio, la forbice di energia è di 0,01 eV, e nel silicio, è di 0,05 eV a temperatura ambiente. Pertanto, a temperatura ambiente, il quinto elettrone degli atomi donatori entra nella banda di conduzione. L'aumento del numero di elettroni porta a meno buchi.

Il numero di buchi per unità di volume in un semiconduttore n-type è ancora inferiore rispetto a quello della stessa unità di volume di un semiconduttore intrinseco alla stessa temperatura. Questo è dovuto agli elettroni in eccesso, e ci sarà un tasso di ricombinazione elettrone-buco superiore rispetto a un semiconduttore puro o intrinseco.

Semiconduttore p-Type

Se invece di un'impurezza pentavalente, si aggiunge un'impurezza trivalente al semiconduttore intrinseco, allora invece di elettroni in eccesso, si creeranno buchi in eccesso nel cristallo. Quando un'impurezza trivalente viene aggiunta al cristallo semiconduttore, gli atomi trivalenti sostituiranno alcuni degli atomi tetra-valenti del semiconduttore. I tre (3) elettroni di valenza dell'atomo di impurezza trivalente formeranno legami con tre atomi di semiconduttore vicini. Pertanto, mancherà un elettrone in un legame del quarto atomo di semiconduttore vicino, che contribuisce a un buco nel cristallo. Poiché le impurezze trivalenti contribuiscono a buchi in eccesso nel cristallo semiconduttore, e questi buchi possono accettare elettroni, queste impurezze sono chiamate impurezze accettori. Poiché i buchi portano virtualmente carica positiva, queste impurezze sono chiamate impurezze di tipo positivo o p-type, e il semiconduttore con impurezze p-type è chiamato semiconduttore p-type.

L'aggiunta di impurezze trivalenti a un semiconduttore crea un livello energetico discreto appena sopra la banda di valenza. La piccola forbice tra la banda di valenza e questo nuovo livello energetico consente agli elettroni di spostarsi facilmente a un livello superiore con una piccola quantità di energia esterna. Quando un elettrone si sposta a questo nuovo livello, lascia un vuoto, o buco, nella banda di valenza.

Quando aggiungiamo un'impurezza n-type al semiconduttore, ci saranno elettroni in eccesso nel cristallo, ma ciò non significa che non ci siano buchi. A causa della natura intrinseca del semiconduttore a temperatura ambiente, ci sono sempre alcune coppie elettrone-buco nel semiconduttore. A causa dell'aggiunta di impurezze n-type, gli elettroni saranno aggiunti a queste coppie elettrone-buco e anche il numero di buchi sarà ridotto per ricombinazione in eccesso per gli elettroni in eccesso. Pertanto, il numero totale di portatori di carica negativa o elettroni liberi sarà maggiore rispetto a quello dei buchi nel semiconduttore n-type. Per questo motivo, nei semiconduttori n-type, gli elettroni sono chiamati portatori di carica maggioritari, mentre i buchi sono chiamati portatori di carica minoritari. Analogamente, nei semiconduttori p-type, i buchi sono chiamati portatori di carica maggioritari e gli elettroni sono chiamati portatori di carica minoritari.

Impurezze Accettori

Le impurezze accettori sono atomi trivalenti aggiunti ai semiconduttori, creando buchi in eccesso, formando semiconduttori p-type.