Donorji in akceptorji v polprevodnikih

Definicija dopiranja

Dopiranje je postopek dodajanja nečistot polprevodnikom za spremembo njihovih vodilnih lastnosti.

Donatorjske nečistote

Donatorjske nečistote so petvalentni atomi, ki jih dodamo polprevodnikom, in prispevajo dodatne proste elektrone, s čimer ustvarijo n-tipove polprevodnikov.

N-tip polprevodnika

Ko n-tipe ali donatorjske nečistote dodamo polprevodniku, se prepovedani energijski razmik v mrežni strukturi zmanjša. Donatorjski atomi uvedejo nove energijske ravni le malo pod vodilno pasmo. Te ravni so diskretne, ker so nečistotni atomi daleč odsevani in minimalno interagirajo. V germaniju je energijski razmik 0,01 eV, v kremiju pa 0,05 eV pri sobni temperaturi. Tako pri sobni temperaturi vstopi peta elektrona iz donatorjskih atomov v vodilno pasmo. Povečano število elektronov vodi do manjše število luknji.

Število luknji na enoto prostornine v n-tipu polprevodnika je še manjše kot v isti enoti prostornine intrinzičnega polprevodnika pri isti temperaturi. To je zaradi prekomernih elektronov, kar poveča hitrost rekombinacije parov elektron-luknja v primerjavi z čistem ali intrinzičnim polprevodnikom.

P-tip polprevodnika

Če namesto petvalentne nečistote dodamo trivalentno nečistočo intrinzičnemu polprevodniku, bo namesto prekomernih elektronov v kristalu ustvarjenih prekomerno luknje. Ko trivalentno nečistočo dodamo kristalu polprevodnika, trivalentni atomi zamenjajo nekatere tetravalente atome polprevodnika. Tri (3) valenčne elektrone trivalentne nečistečne atoma bodo oblikovali vez s tremi sosednjimi atomi polprevodnika. Zato bo pri četrtem sosednjem atomu polprevodnika manjkalo elektrona v eni vezi, kar prispeva luknjo kristalu. Ker trivalentne nečistote prispevajo prekomerne luknje polprevodničnemu kristalu in te luknje lahko sprejmejo elektrone, se te nečistote imenujejo akceptorjske nečistote. Ker luknje nosijo pozitivno naboj, se te nečistote imenujejo pozitiven tip ali p-tip nečistot, polprevodnik s p-tipom nečistot pa se imenuje p-tip polprevodnik.

Dodajanje trivalentnih nečistot polprevodniku ustvari diskretno energijsko raven le malo nad valenčnim pasmom. Majhen razmik med valenčnim pasmom in to novo energijsko raven omogoča elektronom, da se z majhno zunanjo energijo preprosto premaknejo na višjo raven. Ko elektron preide na to novo raven, zapusti praznino ali luknjo v valenčnem pasmu.

Ko dodamo n-tip nečistot polprevodniku, bo v kristalu prekomerno število elektronov, toda to ne pomeni, da ne bi bilo luknji. Zaradi intrinzične narave polprevodnika pri sobni temperaturi so v polprevodniku vedno nekateri parji elektron-luknja. Dodajanje n-tipa nečistot poveča število elektronov v teh parjih in zmanjša število luknji zaradi prekomerne rekombinacije za prekomerne elektrone. Zato je skupno število negativnih nabojev ali proskih elektronov v n-tipu polprevodnika večje kot število luknji. Zato v n-tipu polprevodnika so elektroni glavni nabojevski nosilci, luknje pa manjši nabojevski nosilci. Podobno v p-tipu polprevodnika so luknje glavni nabojevski nosilci, elektroni pa manjši nabojevski nosilci.

Akceptorjske nečistote

Akceptorjske nečistote so trivalentni atomi, ki jih dodamo polprevodnikom, in ustvarijo prekomerne luknje, s čimer oblikujejo p-tip polprevodnikov.