Донорні та акцепторні додатки в напівпровідниках

Визначення допінгу

Допінг - це процес додавання забруднень до напівпровідника для зміни його провідних властивостей.

Донорські забруднення

Донорські забруднення - це п'ятивалентні атоми, додані до напівпровідників, які надають додаткові вільні електрони, створюючи n-тип напівпровідники.

N-тип напівпровідник

Коли до напівпровідника додаються n-тип або донорські забруднення, заборонена енергетична щілина в кристалічній сітці скорочується. Донорські атоми вводять нові енергетичні рівні трохи нижче зони провідності. Ці рівні є дискретними, оскільки атоми забруднень знаходяться далеко одне від одного і взаємодіють мінімально. У германію енергетична щілина становить 0,01 еВ, а у кремній - 0,05 еВ при кімнатній температурі. Тому при кімнатній температурі п'ятий електрон від донорських атомів потрапляє в зону провідності. Збільшена кількість електронів призводить до зменшення кількості дірок.

Кількість дірок на одиницю об'єму в n-типі напівпровідника ще нижча, ніж у тій же одиниці об'єму внутрішнього напівпровідника при тій самій температурі. Це відбувається через надлишок електронів, і буде більша швидкість рекомбінації пар електрон-дірка, ніж у чистому або внутрішньому напівпровіднику.

P-тип напівпровідник

Якщо замість п'ятивалентного забруднення, до внутрішнього напівпровідника додається тривалентне забруднення, то замість надлишку електронів у кристалі буде створено надлишок дірок. Оскільки коли тривалентне забруднення додається до кристалу напівпровідника, тривалентні атоми замінять деякі тетравалентні атоми напівпровідника. Три валентні електрони тривалентного атома забруднення утворять зв'язки з трьома сусідніми атомами напівпровідника. Тому у одному зв'язку четвертого сусіднього атома напівпровідника буде брак електрона, що призведе до появи дірок у кристалі. Оскільки тривалентні забруднення створюють надлишок дірок у кристалі напівпровідника, і ці дірки можуть приймати електрони, такі забруднення називаються акцепторними. Оскільки дірки фактично несуть додатний заряд, такі забруднення називаються позитивним типом або p-типом, а напівпровідник з p-типом забруднень називається p-типом напівпровідника.

Додавання тривалентних забруднень до напівпровідника створює дискретний енергетичний рівень трохи вище за зону валентності. Мала щілина між зонами валентності і цим новим енергетичним рівнем дозволяє електронам легко переходити на вищий рівень з невеликою кількістю зовнішньої енергії. Коли електрон переходить на цей новий рівень, він залишає порожнечу, або дірку, у зоні валентності.

Коли ми додаємо n-тип забруднення до напівпровідника, у кристалі буде надлишок електронів, але це не означає, що там не буде дірок. Через внутрішню природу напівпровідника при кімнатній температурі завжди є деякі пари електрон-дірка. Через додавання n-тип забруднень, електрони будуть додані до цих пар електрон-дірка, а кількість дірок зменшиться через надлишкову рекомбінацію для надлишкових електронів. Тому загальна кількість негативних носіїв заряду або вільних електронів буде більшою, ніж кількість дірок у n-тип напівпровідника. Саме тому у n-тип напівпровідника електрони називаються переважаючими носіями заряду, а дірки - меншими носіями заряду. Аналогічно, у p-тип напівпровідника дірки називаються переважаючими носіями заряду, а електрони - меншими носіями заряду.

Акцепторні забруднення

Акцепторні забруднення - це тривалентні атоми, додані до напівпровідників, що створюють надлишок дірок, формуючи p-тип напівпровідники.