Donor- en acceptorimpuret in halfgeleiders

Doping-definitie

Doping is het proces waarbij impuriteiten aan een halfgeleider worden toegevoegd om de geleidende eigenschappen te veranderen.

Donor-impuriteiten

Donor-impuriteiten zijn pentavalente atomen die aan halfgeleiders worden toegevoegd, waardoor extra vrije elektronen ontstaan, wat n-type halfgeleiders creëert.

N-type halfgeleider

Wanneer n-type of donor-impuriteiten aan een halfgeleider worden toegevoegd, wordt de verboden energiegap in de kristalstructuur smaller. Donoratomen voeren nieuwe energieniveaus in net onder het geleidingsband. Deze niveaus zijn discreet omdat de impuriteit-atomen ver uit elkaar liggen en weinig met elkaar interactie hebben. In germanium is de energiegap 0,01 eV, en in silicium is deze 0,05 eV bij kamertemperatuur. Dus bij kamertemperatuur gaat het vijfde elektron van de donoratomen over naar het geleidingsband. Het toegenomen aantal elektronen leidt tot minder gaten.

Het aantal gaten per volume-eenheid in een n-type halfgeleider is zelfs lager dan dat in dezelfde volume-eenheid van een intrinsieke halfgeleider bij dezelfde temperatuur. Dit komt door de overtollige elektronen, en er zal een hogere recombinatiegraad van elektron-gath paren zijn dan in een zuivere of intrinsieke halfgeleider.

P-type halfgeleider

Als in plaats van pentavalente impuriteiten een trivalente impuriteit aan de intrinsieke halfgeleider wordt toegevoegd, dan worden er in plaats van overtollige elektronen overtollige gaten in het kristal gecreëerd. Wanneer een trivalente impuriteit aan het halfgeleiderkristal wordt toegevoegd, vervangen de trivalente atomen sommige van de tetravalente halfgeleideratomen. De drie valentie-elektronen van de trivalente impuriteit-atoom zullen bindingen maken met drie naburige halfgeleideratomen. Daarom zal er een gebrek aan een elektron zijn in één binding van het vierde naburige halfgeleideratoom, wat een gat in het kristal veroorzaakt. Omdat trivalente impuriteiten overtollige gaten aan het halfgeleiderkristal toevoegen, en deze gaten elektronen kunnen accepteren, worden deze impuriteiten als acceptor-impuriteiten aangeduid. Aangezien de gaten feitelijk een positieve lading dragen, worden deze impuriteiten als positieve of p-type impuriteiten aangeduid, en wordt de halfgeleider met p-type impuriteiten een p-type halfgeleider genoemd.

Het toevoegen van trivalente impuriteiten aan een halfgeleider creëert een discreet energieniveau net boven het valentieband. De kleine kloof tussen het valentieband en dit nieuwe energieniveau stelt elektronen in staat om gemakkelijk naar het hogere niveau te bewegen met een klein beetje externe energie. Wanneer een elektron naar dit nieuwe niveau beweegt, laat het een vacature, of gat, achter in het valentieband.

Wanneer we een n-type impuriteit aan de halfgeleider toevoegen, zullen er overtollige elektronen in het kristal zijn, maar dat betekent niet dat er geen gaten zullen zijn. Door de intrinsieke aard van de halfgeleider bij kamertemperatuur, zijn er altijd enkele elektron-gatparen in de halfgeleider. Door het toevoegen van n-type impuriteiten, worden elektronen toegevoegd aan deze elektron-gatparen, en wordt ook het aantal gaten verminderd door de overtollige recombinatie voor de overtollige elektronen. Daarom zal het totale aantal negatieve ladingdragers of vrije elektronen groter zijn dan dat van de gaten in de n-type halfgeleider. Daarom worden in n-type halfgeleiders de elektronen aangeduid als meerderheidsladingdragers, terwijl de gaten minderheidsladingdragers worden genoemd. Op soortgelijke wijze worden in p-type halfgeleiders de gaten aangeduid als meerderheidsladingdragers, en de elektronen als minderheidsladingdragers.

Acceptor-impuriteiten

Acceptor-impuriteiten zijn trivalente atomen die aan halfgeleiders worden toegevoegd, waardoor overtollige gaten ontstaan, wat p-type halfgeleiders vormt.