Dawne i akceptorowe domieszki w półprzewodnikach

Definicja domieszkowania

Domieszkowanie to proces dodawania domieszek do półprzewodnika w celu zmiany jego właściwości przewodzących.

Donorowe domieszki

Donorowe domieszki to atomy pentawalentne dodawane do półprzewodników, które wprowadzają dodatkowe wolne elektrony, tworząc półprzewodniki typu n.

Półprzewodnik typu n

Gdy do półprzewodnika dodaje się domieszki typu n lub donorowe, zabroniona luka energetyczna w strukturze krystalicznej zwęża się. Atomy dawcze wprowadzają nowe poziomy energetyczne tuż pod pasmo przewodzenia. Te poziomy są dyskretne, ponieważ atomy domieszek są oddalone od siebie i minimalnie interakują. W germanium luka energetyczna wynosi 0,01 eV, a w krzemu 0,05 eV przy temperaturze pokojowej. Zatem przy temperaturze pokojowej piąty elektron z atomów dawczych przechodzi do pasa przewodzenia. Zwiększenie liczby elektronów prowadzi do zmniejszenia liczby dziur.

Liczba dziur na jednostkę objętości w półprzewodniku typu n jest jeszcze niższa niż w tej samej jednostce objętości półprzewodnika intrinsic przy tej samej temperaturze. Jest to spowodowane nadmiarem elektronów, co prowadzi do wyższego tempa rekombinacji par elektron-dziura niż w czystym lub intrinsic półprzewodniku.

Półprzewodnik typu p

Jeśli zamiast domieszki pentawalentnej do intrinsic półprzewodnika dodamy domieszkę trivalentną, to zamiast nadmiaru elektronów powstanie nadmiar dziur w kryształu. Ponieważ gdy do kryształu półprzewodnika dodaje się domieszkę trivalentną, atomy trivalentne zastąpią niektóre atomy półprzewodnika tetravalentnego. Trzy (3) elektrony walencyjne atomu domieszki trivalentnej utworzą wiązania z trzema sąsiednimi atomami półprzewodnika. Stąd brak elektronu w jednym wiązaniu czwartego sąsiedniego atomu półprzewodnika, który wnosi dziurę do kryształu. Ponieważ domieszki trivalentne wprowadzają nadmiar dziur do kryształu półprzewodnika, a te dziury mogą akceptować elektrony, te domieszki nazywane są domieszkami akceptorowymi. Ponieważ dziury przenoszą praktycznie ładunek dodatni, te domieszki nazywane są domieszkami typu dodatniego lub typu p, a półprzewodnik z domieszkami typu p nazywany jest półprzewodnikiem typu p.

Dodawanie domieszek trivalentnych do półprzewodnika tworzy dyskretny poziom energetyczny tuż powyżej pasa walencyjnego. Mała luka energetyczna między pasem walencyjnym a tym nowym poziomem energetycznym pozwala elektronom łatwo przechodzić na wyższy poziom przy małej ilości zewnętrznej energii. Gdy elektron przechodzi na ten nowy poziom, pozostawia lukę, czyli dziurę, w paśmie walencyjnym.

Gdy dodajemy domieszkę typu n do półprzewodnika, w kryształu powstanie nadmiar elektronów, ale to nie oznacza, że nie będzie żadnych dziur. Ze względu na intrinizacyjny charakter półprzewodnika przy temperaturze pokojowej, zawsze występują pewne pary elektron-dziura w półprzewodniku. Dodanie domieszki typu n prowadzi do dodania elektronów do tych par elektron-dziura oraz zmniejszenia liczby dziur z powodu zwiększonej rekombinacji dla nadmiaru elektronów. Stąd, całkowita liczba nośników ładunku ujemnego lub wolnych elektronów będzie większa niż liczba dziur w półprzewodniku typu n. Dlatego w półprzewodniku typu n elektrony nazywane są większościowymi nośnikami ładunku, a dziury mniejszościowymi nośnikami ładunku. Podobnie w półprzewodniku typu p, dziury nazywane są większościowymi nośnikami ładunku, a elektrony mniejszościowymi nośnikami ładunku.

Akceptorowe domieszki

Akceptorowe domieszki to atomy trivalentne dodawane do półprzewodników, tworzące nadmiar dziur, formując półprzewodniki typu p.