สารให้และสารรับในกึ่งตัวนำ

นิยามการปนเปื้อน

การปนเปื้อนคือกระบวนการเพิ่มสารต่างชนิดเข้าไปในสารกึ่งตัวนำเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า

สารปนเปื้อนแบบบริจาค

สารปนเปื้อนแบบบริจาคคืออะตอมที่มีวาเลนซ์ 5 ที่ถูกเพิ่มเข้าไปในสารกึ่งตัวนำ ทำให้มีอิเล็กตรอนเสรีเพิ่มขึ้น สร้างสารกึ่งตัวนำประเภท n

สารกึ่งตัวนำประเภท n

เมื่อสารปนเปื้อนประเภท n หรือสารปนเปื้อนแบบบริจาคถูกเพิ่มเข้าไปในสารกึ่งตัวนำ ช่องว่างพลังงานที่ไม่สามารถผ่านได้ในโครงสร้างของคริสตัลจะแคบลง อะตอมบริจาคจะสร้างระดับพลังงานใหม่ที่อยู่ใต้แถบนำไฟฟ้า ระดับพลังงานเหล่านี้เป็นระดับที่แยกออกจากกันเนื่องจากอะตอมสารปนเปื้อนอยู่ห่างกันและมีปฏิกิริยาต่อกันน้อย ในเจอร์เมเนียม ช่องว่างพลังงานคือ 0.01 eV และในซิลิคอนคือ 0.05 eV ที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้น ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนที่ห้าจากอะตอมบริจาคจะเข้าสู่แถบนำไฟฟ้า จำนวนอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นทำให้มีหลุมน้อยลง

จำนวนหลุมต่อปริมาตรหน่วยในสารกึ่งตัวนำประเภท n ต่ำกว่าในปริมาตรเดียวกันของสารกึ่งตัวนำภายในที่อุณหภูมิเดียวกัน เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเกิน และจะมีอัตราการรวมตัวของคู่อิเล็กตรอน-หลุมมากกว่าในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์หรือสารกึ่งตัวนำภายใน

สารกึ่งตัวนำประเภท p

หากแทนที่จะเพิ่มสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 5 แต่เพิ่มสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 3 เข้าไปในสารกึ่งตัวนำภายใน จะมีหลุมเกินแทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนเกิน เพราะเมื่อสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 3 ถูกเพิ่มเข้าไปในคริสตัลสารกึ่งตัวนำ อะตอมวาเลนซ์ 3 จะแทนที่อะตอมสารกึ่งตัวนำวาเลนซ์ 4 สาม (3) อิเล็กตรอนวาเลนซ์ของอะตอมสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 3 จะทำพันธะกับอะตอมสารกึ่งตัวนำใกล้เคียง 3 ตัว ดังนั้น จะขาดอิเล็กตรอนในพันธะหนึ่งของอะตอมสารกึ่งตัวนำใกล้เคียงที่สี่ ซึ่งทำให้มีหลุมในคริสตัล เนื่องจากสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 3 สร้างหลุมเกินในคริสตัลสารกึ่งตัวนำ และหลุมเหล่านี้สามารถยอมรับอิเล็กตรอนได้ สารปนเปื้อนเหล่านี้จึงเรียกว่าสารปนเปื้อนแบบยอมรับ เนื่องจากหลุมเสมือนมีประจุบวก สารปนเปื้อนเหล่านี้จึงเรียกว่าสารปนเปื้อนบวกหรือสารปนเปื้อนประเภท p และสารกึ่งตัวนำที่มีสารปนเปื้อนประเภท p ถูกเรียกว่าสารกึ่งตัวนำประเภท p

การเพิ่มสารปนเปื้อนวาเลนซ์ 3 เข้าไปในสารกึ่งตัวนำจะสร้างระดับพลังงานใหม่ที่อยู่เหนือแถบที่วาเลนซ์ การมีช่องว่างระหว่างแถบที่วาเลนซ์และระดับพลังงานใหม่นี้ทำให้อิเล็กตรอนสามารถย้ายไปยังระดับที่สูงขึ้นได้ง่ายด้วยพลังงานภายนอกเพียงเล็กน้อย เมื่ออิเล็กตรอนย้ายไปยังระดับใหม่นี้ มันจะทิ้งหลุมไว้ในแถบที่วาเลนซ์

เมื่อเราเพิ่มสารปนเปื้อนประเภท n เข้าไปในสารกึ่งตัวนำ จะมีอิเล็กตรอนเกินในคริสตัล แต่ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีหลุมเลย เนื่องจากธรรมชาติภายในของสารกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิห้อง จะมีคู่อิเล็กตรอน-หลุมอยู่เสมอ การเพิ่มสารปนเปื้อนประเภท n จะทำให้มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นในคู่อิเล็กตรอน-หลุม และจำนวนหลุมลดลงจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนเกิน ดังนั้น จำนวนพาหะประจุลบหรืออิเล็กตรอนเสรีจะมากกว่าจำนวนหลุมในสารกึ่งตัวนำประเภท n นั่นเอง ดังนั้น ในสารกึ่งตัวนำประเภท n อิเล็กตรอนถูกเรียกว่าพาหะประจุใหญ่ ในขณะที่หลุมถูกเรียกว่าพาหะประจุเล็ก ในทางกลับกัน ในสารกึ่งตัวนำประเภท p หลุมถูกเรียกว่าพาหะประจุใหญ่ และอิเล็กตรอนถูกเรียกว่าพาหะประจุเล็ก

สารปนเปื้อนแบบยอมรับ

สารปนเปื้อนแบบยอมรับคืออะตอมวาเลนซ์ 3 ที่ถูกเพิ่มเข้าไปในสารกึ่งตัวนำ สร้างหลุมเกิน ทำให้เกิดสารกึ่งตัวนำประเภท p