Donorer og akseptorforurenninger i halvledere

Doping-definisjon

Doping er prosessen med å legge til forurensninger i en halvleder for å endre dens ledningsmessige egenskaper.

Donorforurensninger

Donorforurensninger er pentavalente atomer som legges til i halvledere, og bidrar med ekstra frie elektroner, som skaper n-type halvledere.

N-type halvleder

Når n-type eller donorforurensninger legges til i en halvleder, blir det forbudte energifeltet i gitterstrukturen smalere. Donoratomer introduserer nye energinivåer rett under konduksjonsbandet. Disse nivåene er diskrete fordi forurensningsatomen er langt fra hverandre og interagerer minimalt. I germanium er energifeltet 0,01 eV, og i silisium er det 0,05 eV ved romtemperatur. Dermed går den femte elektronen fra donoratomene inn i konduksjonsbandet ved romtemperatur. Økt antall elektroner fører til færre hull.

Antallet av hull per enhetsvolum i en n-type halvleder er enda lavere enn i samme enhetsvolum av en intrinsisk halvleder ved samme temperatur. Dette skyldes overskuddsetroner, og det vil være en høyere rekningsrate for elektron-hull-par enn i en ren eller intrinsisk halvleder.

P-type halvleder

Hvis istedenfor pentavalent forurensning, en trivalent forurensning legges til i den intrinsiske halvlederen, så vil det istedenfor overskuddsetroner bli opprettet et overskudd av hull i krystallet. For når en trivalent forurensning legges til i halvlederkrystallet, vil trivalente atomer erstatte noen av de tetravalente halvlederatomene. De tre (3) valenselektronene fra trivalent forurensningsatomet vil danne binding med tre nabohalvlederatomer. Dermed vil det være mangel på et elektron i en binding av det fjerde nabohalvlederatomet, som bidrar med et hull til krystallet. Siden trivalente forurensninger bidrar med overskuddshull til halvlederkrystallet, og disse hullene kan akseptere elektroner, refereres disse forurensningene som akseptorforurensninger. Ettersom hullene virtuelt bærer positiv ladning, refereres disse forurensningene som positivtype eller p-type forurensninger, og halvlederen med p-type forurensninger kalles p-type halvleder.

Å legge til trivalente forurensninger i en halvleder skaper et diskret energinivå rett over valensbandet. Den lille gapen mellom valensbandet og dette nye energinivået tillater at elektroner lett flytter seg til høyere nivå med lite ekstern energi. Når et elektron flytter seg til dette nye nivået, etterlater det et tomtrom, eller hull, i valensbandet.

Når vi legger til en n-type forurensning i halvlederen, vil det være overskuddsetroner i krystallet, men dette betyr ikke at det ikke vil være noen hull. På grunn av den intrinsiske naturen til halvlederen ved romtemperatur, vil det alltid være noen elektron-hull-par i halvlederen. På grunn av tilsetting av n-type forurensninger, vil elektronene bli lagt til disse elektron-hull-parene, og antallet av hull reduseres av overskuddsrekombinasjon for overskuddsetroner. Derfor vil det totale antallet av negativt ladede bærende partikler eller frie elektroner være mer enn antallet av hull i n-type halvleder. Det er derfor i n-type halvleder, elektroner kalt flertallsbærende partikler, mens hull kalt mindretallsbærende partikler. Tilsvarende i p-type halvleder, kaller man hull for flertallsbærende partikler, og elektroner for mindretallsbærende partikler.

Akseptorforurensninger

Akseptorforurensninger er trivalente atomer som legges til i halvledere, og skaper et overskudd av hull, som danner p-type halvledere.