Doping w półprzewodnikach
Czysty krzem lub german są rzadko używane jako półprzewodniki. Praktycznie użyteczne półprzewodniki muszą mieć kontrolowaną ilość dodawanych do nich zanieczyszczeń. Dodatek zanieczyszczeń zmieni zdolność przewodzenia i działa jak półprzewodnik. Nazywa się proces dodawania nieczystości do wewnętrznego lub czystego materiałudoping a nieczystość nazywa się a dopant. Po domieszkowaniu materiał wewnętrzny staje się materiałem zewnętrznym. Praktycznie dopiero po domieszkowaniu materiały te stają się użyteczne.
Gdy zanieczyszczenie jest dodawane do krzemu lub germanu bez modyfikowania struktury kryształu, powstaje materiał typu N. W niektórych atomach elektrony mają pięć elektronów w swoim paśmie walencyjnym, takich jak arsen (As) i antymon (Sb). Domieszkowanie krzemu żadną z zanieczyszczeń nie może zmieniać struktury kryształu ani procesu wiązania. Dodatkowy elektron atomu zanieczyszczeń nie bierze udziału w wiązaniu kowalencyjnym. Te elektrony są luźno trzymane razem przez ich atomy inicjatora. Poniższy rysunek przedstawia przemianę kryształu krzemu z dodatkiem atomu zanieczyszczeń.
Wpływ domieszki na materiał typu N.
Wpływ domieszkowania na materiał typu N jest następujący -
Po dodaniu arsenu do czystego krzemu kryształ staje się materiałem typu N.
Atom arsenu posiada dodatkowe elektrony lub ładunki ujemne, które nie biorą udziału w procesie wiązania kowalencyjnego.
Zanieczyszczenia te oddają lub oddają jeden elektron do kryształu i nazywane są zanieczyszczeniami donorowymi.
Materiał typu N ma dodatkowe lub wolne elektrony niż materiał wewnętrzny.
Materiał typu N nie jest naładowany ujemnie. W rzeczywistości wszystkie jego atomy są elektrycznie obojętne.
Te dodatkowe elektrony nie biorą udziału w procesie wiązania kowalencyjnego. Mogą swobodnie poruszać się po strukturze kryształu.
Zewnętrzny kryształ krzemu typu N przejdzie w stan przewodzenia przy zaledwie 0,005 eV zastosowanej energii.
Tylko 0,7eV jest potrzebne do przeniesienia elektronów kryształu wewnętrznego z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Zwykle elektrony są uważane za większość nośników prądu w tego typu kryształach, a dziury za mniejszościowe nośniki prądu. Ilość materiału dawcy dodanego do Krzemu określa liczbę większości obecnych nośników w jego strukturze.
Liczba elektronów w krzemie typu N jest wielokrotnie większa niż pary elektron-dziura w wewnętrznym krzemie. W temperaturze pokojowej istnieje znaczna różnica w przewodnictwie elektrycznym tego materiału. Istnieje wielu nośników prądu, którzy biorą udział w przepływie prądu. Przepływ prądu jest osiągany głównie przez elektrony w tego rodzaju materiale. Dlatego materiał zewnętrzny staje się dobrym przewodnikiem elektrycznym.
Wpływ domieszki na materiał typu P.
Wpływ domieszkowania na materiał typu P jest następujący -
Kiedy ind (In) lub gal (Ga) jest dodawany do czystego krzemu, powstaje materiał typu P.
Ten rodzaj materiału domieszkującego ma trzy elektrony walencyjne. Z niecierpliwością szukają czwartego elektronu.
W materiale typu P każdy otwór może być wypełniony elektronem. Aby wypełnić ten obszar dziury, elektrony z sąsiednich grup z wiązaniami kowalencyjnymi potrzebują znacznie mniej energii.
Krzem jest zazwyczaj domieszkowany materiałem domieszkowym w zakresie od 1 do 106. Oznacza to, że materiał P będzie miał znacznie więcej dziur niż pary elektron-dziura w czystym krzemie.
W temperaturze pokojowej występuje bardzo określona charakterystyczna różnica w przewodnictwie elektrycznym tego materiału.
Poniższy rysunek pokazuje, jak zmienia się struktura krystaliczna krzemu, gdy jest domieszkowany pierwiastkiem akceptorowym - w tym przypadku indem. Kawałek materiału P nie jest naładowany dodatnio. Jego atomy są przede wszystkim obojętne elektrycznie.
Istnieją jednak dziury w kowalencyjnej strukturze wielu grup atomów. Kiedy elektron wkracza i wypełnia dziurę, dziura staje się pusta. Nowa dziura jest tworzona w związanej grupie, w której opuścił elektron. W efekcie ruch dziury jest wynikiem ruchu elektronu. Materiał typu P przejdzie w stan przewodzenia przy zaledwie 0,05 eV zastosowanej energii.
Powyższy rysunek pokazuje, jak kryształ typu P zareaguje po podłączeniu do źródła napięcia. Zauważ, że jest więcej dziur niż elektronów. Przy przyłożonym napięciu elektrony są przyciągane do dodatniego bieguna akumulatora.
Otwory przesuwają się w pewnym sensie w kierunku ujemnego bieguna akumulatora. W tym momencie wychwycony zostaje elektron. Elektron natychmiast wypełnia dziurę. Dziura staje się wtedy pusta. Jednocześnie elektron jest wyciągany z materiału przez dodatni zacisk akumulatora. Dlatego dziury przesuwają się w kierunku ujemnego bieguna z powodu przemieszczania się elektronów między różnymi związanymi grupami. Przy doprowadzonej energii przepływ przez otwory jest ciągły.