Dotierung in Halbleitern
Reines Silizium oder Germanium werden selten als Halbleiter verwendet. Praktisch verwendbare Halbleiter müssen mit einer kontrollierten Menge an Verunreinigungen versetzt werden. Die Zugabe von Verunreinigungen verändert die Leiterfähigkeit und wirkt als Halbleiter. Der Prozess des Hinzufügens einer Verunreinigung zu einem intrinsischen oder reinen Material wird genanntdoping und die Verunreinigung heißt a dopant. Nach dem Dotieren wird ein intrinsisches Material zu einem extrinsischen Material. Praktisch erst nach dem Dotieren werden diese Materialien verwendbar.
Wenn eine Verunreinigung zu Silizium oder Germanium gegeben wird, ohne die Kristallstruktur zu modifizieren, wird ein Material vom N-Typ erzeugt. In einigen Atomen haben Elektronen fünf Elektronen in ihrem Valenzband, wie Arsen (As) und Antimon (Sb). Die Dotierung von Silizium mit entweder Verunreinigungen darf weder die Kristallstruktur noch den Bindungsprozess verändern. Das zusätzliche Elektron des Verunreinigungsatoms nimmt nicht an einer kovalenten Bindung teil. Diese Elektronen werden von ihren Ursprungsatomen lose zusammengehalten. Die folgende Abbildung zeigt die Veränderung des Siliziumkristalls durch Zugabe eines Verunreinigungsatoms.
Wirkung der Dotierung auf Material vom N-Typ
Die Wirkung der Dotierung auf ein Material vom N-Typ ist wie folgt:
Bei Zugabe von Arsen zu reinem Silizium wird der Kristall zu einem Material vom N-Typ.
Das Arsenatom hat zusätzliche Elektronen oder negative Ladungen, die nicht am Prozess der kovalenten Bindung beteiligt sind.
Diese Verunreinigungen geben ein Elektron an den Kristall ab oder geben ihn ab, und sie werden als Donorverunreinigungen bezeichnet.
Ein Material vom N-Typ hat zusätzliche oder freie Elektronen als ein intrinsisches Material.
Ein Material vom N-Typ ist nicht negativ geladen. Tatsächlich sind alle seine Atome elektrisch neutral.
Diese zusätzlichen Elektronen nehmen nicht am kovalenten Bindungsprozess teil. Sie können sich frei durch die Kristallstruktur bewegen.
Ein extrinsischer Siliziumkristall vom N-Typ wird mit nur 0,005 eV Energie leitend.
Es sind nur 0,7 eV erforderlich, um Elektronen des intrinsischen Kristalls vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen.
Normalerweise werden Elektronen als Hauptstromträger in dieser Art von Kristall angesehen, und Löcher sind die Nebenstromträger. Die Menge an Donormaterial, die Silizium zugesetzt wird, bestimmt die Anzahl der Hauptstromträger in seiner Struktur.
Die Anzahl der Elektronen in einem Silizium vom N-Typ ist um ein Vielfaches größer als die Elektron-Loch-Paare von intrinsischem Silizium. Bei Raumtemperatur gibt es einen festen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials. Es gibt reichlich Stromträger, die am Stromfluss teilnehmen können. Der Stromfluss wird hauptsächlich durch Elektronen in dieser Art von Material erreicht. Daher wird ein Fremdmaterial zu einem guten elektrischen Leiter.
Wirkung der Dotierung auf Material vom P-Typ
Die Wirkung der Dotierung auf ein Material vom P-Typ ist wie folgt:
Wenn Indium (In) oder Gallium (Ga) zu reinem Silizium gegeben wird, wird ein Material vom P-Typ gebildet.
Diese Art von Dotierstoff hat drei Valenzelektronen. Sie suchen eifrig nach einem vierten Elektron.
In P-Material kann jedes Loch mit einem Elektron gefüllt werden. Um diesen Lochbereich zu füllen, benötigen Elektronen aus den benachbarten kovalent gebundenen Gruppen sehr viel weniger Energie.
Silizium ist typischerweise mit Dotierungsmaterial im Bereich von 1 bis 106 dotiert. Dies bedeutet, dass P-Material viel mehr Löcher aufweist als die Elektron-Loch-Paare aus reinem Silizium.
Bei Raumtemperatur gibt es einen sehr bestimmten charakteristischen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit dieses Materials.
Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die Kristallstruktur von Silizium ändert, wenn es mit einem Akzeptorelement dotiert wird - in diesem Fall Indium. Ein Stück P-Material ist nicht positiv geladen. Seine Atome sind hauptsächlich alle elektrisch neutral.
Es gibt jedoch Löcher in der kovalenten Struktur vieler Atomgruppen. Wenn sich ein Elektron bewegt und ein Loch füllt, wird das Loch leer. In der gebundenen Gruppe, in der das Elektron zurückgeblieben ist, entsteht ein neues Loch. Die tatsächliche Lochbewegung ist das Ergebnis der Elektronenbewegung. Ein Material vom P-Typ wird mit nur 0,05 eV Energie leitend.
Die obige Abbildung zeigt, wie ein Kristall vom P-Typ reagiert, wenn er an eine Spannungsquelle angeschlossen wird. Beachten Sie, dass es mehr Löcher als Elektronen gibt. Bei angelegter Spannung werden die Elektronen vom positiven Batteriepol angezogen.
Die Löcher bewegen sich gewissermaßen in Richtung des Minuspols der Batterie. An dieser Stelle wird ein Elektron aufgenommen. Das Elektron füllt sofort ein Loch. Das Loch wird dann leer. Gleichzeitig wird durch den positiven Batteriepol ein Elektron aus dem Material gezogen. Löcher bewegen sich daher in Richtung des negativen Anschlusses, da sich Elektronen zwischen verschiedenen gebundenen Gruppen verschieben. Bei angelegter Energie ist der Lochfluss kontinuierlich.