Donatorer och acceptorer i halvledare

Doping Definition

Doping är processen att lägga till orenheter i en halvledare för att ändra dess ledande egenskaper.

Donatoriska orenheter

Donatoriska orenheter är pentavala atomer som tillsätts halvledare, vilket bidrar med extra fria elektroner och skapar n-typ halvledare.

N-typ halvledare

När n-typ eller donatoriska orenheter tillsätts en halvledare, smalnar det förbjudna energigapet i gitterstrukturen. Donatoratomerna introducerar nya energinivåer precis under konduktionsbandet. Dessa nivåer är diskreta eftersom orenhetsatomerna ligger långt ifrån varandra och interagerar minimalt. I germanium är energigapet 0,01 eV, och i silikon är det 0,05 eV vid rumstemperatur. Så vid rumstemperatur går den femte elektronen från donatoratomerna över till konduktionsbandet. Det ökade antalet elektroner leder till färre hål.

Antalet hål per volymenhet i en n-typ halvledare är ännu lägre än i samma volymenhet av en inbyggd halvledare vid samma temperatur. Detta beror på överskottet av elektroner, och det kommer att finnas en högre hastighet av recombination av elektron-hål-par jämfört med en ren eller inbyggd halvledare.

P-typ halvledare

Om istället för pentavala orenheter, trivala orenheter tillsätts den inbyggda halvledaren, kommer det istället att skapas ett överskott av hål i kristallen. När trivala orenheter tillsätts halvledarkristallen, kommer de trivala atomerna att ersätta några av de tetravala halvledaratomen. De tre (3) valenselektronerna från trivala orenhetsatomen kommer att binda sig till tre grannhalvledaratomer. Därför kommer det att saknas en elektron i en bindning hos den fjärde grannhalvledaratomen, vilket bidrar med ett hål till kristallen. Eftersom trivala orenheter bidrar med överskott av hål till halvledarkristallen, och dessa hål kan acceptera elektroner, kallas dessa orenheter för acceptoriska orenheter. Eftersom hålen praktiskt taget bär positiv laddning, kallas de här orenheterna för positiva typen eller p-typ orenheter, och halvledaren med p-typ orenheter kallas p-typ halvledare.

Att tillsätta trivala orenheter i en halvledare skapar en diskret energinivå precis ovanför vallensbandet. Den lilla gapet mellan vallensbandet och denna nya energinivå gör att elektroner enkelt kan flytta sig till den högre nivån med liten mängd extern energi. När en elektron flyttar sig till denna nya nivå lämnar den ett tomrum, eller hål, i vallensbandet.

När vi tillsätter en n-typ orenhet i halvledaren, kommer det att finnas ett överskott av elektroner i kristallen, men det betyder inte att det inte skulle finnas några hål. På grund av den inbyggda naturen hos halvledaren vid rumstemperatur, finns det alltid några elektron-hål-par i halvledaren. Genom tillägget av n-typ orenheter, kommer elektronerna att läggas till dessa elektron-hål-par, och antalet hål minskar genom ökad recombination för överskottet av elektroner. Därför kommer det totala antalet negativa laddningsbärare eller fria elektroner att vara mer än antalet hål i n-typ halvledaren. Därför kallas elektronerna för majoritetsladdningsbärare i n-typ halvledare, medan hål kallas för minoritetsladdningsbärare. På liknande sätt kallas hål för majoritetsladdningsbärare och elektroner för minoritetsladdningsbärare i p-typ halvledare.

Acceptoriska orenheter

Acceptoriska orenheter är trivala atomer som tillsätts halvledare, vilket skapar ett överskott av hål och bildar p-typ halvledare.