Doping trong chất bán dẫn

Silicon hoặc Germanium tinh khiết hiếm khi được sử dụng làm chất bán dẫn. Các chất bán dẫn có thể sử dụng được trong thực tế phải có số lượng tạp chất được kiểm soát được thêm vào chúng. Thêm tạp chất sẽ làm thay đổi khả năng dẫn điện và nó hoạt động như một chất bán dẫn. Quá trình thêm tạp chất vào vật liệu nội tại hoặc nguyên chất được gọi làdoping và tạp chất được gọi là dopant. Sau khi pha tạp chất, vật liệu nội tại trở thành vật chất bên ngoài. Thực tế chỉ sau khi pha tạp các vật liệu này mới có thể sử dụng được.

Khi một tạp chất được thêm vào silicon hoặc germani mà không làm thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu loại N. được tạo ra. Trong một số nguyên tử, các electron có năm electron trong vùng hóa trị của chúng như asen (As) và antimon (Sb). Việc pha tạp silicon với một trong hai tạp chất không được làm thay đổi cấu trúc tinh thể hoặc quá trình liên kết. Electron thừa của nguyên tử tạp chất không tham gia vào liên kết cộng hóa trị. Các điện tử này được giữ lại với nhau một cách lỏng lẻo bởi các nguyên tử khởi tạo của chúng. Hình dưới đây cho thấy sự thay đổi của tinh thể silic khi có thêm một nguyên tử tạp chất.

Ảnh hưởng của doping lên vật liệu loại N

Ảnh hưởng của việc pha tạp lên vật liệu loại N như sau:

Ngoài Asen thành Silicon tinh khiết, tinh thể trở thành vật liệu loại N.
Nguyên tử asen có thêm electron hoặc điện tích âm không tham gia vào quá trình liên kết cộng hóa trị.
Các tạp chất này nhường hoặc cho, một electron vào tinh thể và chúng được gọi là tạp chất cho.
Vật liệu loại N có các electron tự do hoặc dư thừa hơn vật liệu bên trong.
Một vật liệu loại N không tích điện âm. Trên thực tế tất cả các nguyên tử của nó đều trung hòa về điện.
Các electron thừa này không tham gia vào quá trình liên kết cộng hóa trị. Chúng tự do di chuyển trong cấu trúc tinh thể.
Một tinh thể silicon ngoại lai loại N sẽ chuyển sang trạng thái dẫn với năng lượng chỉ 0,005eV tác dụng.
Chỉ cần 0,7eV để di chuyển các electron của tinh thể nội tại từ vùng hóa trị vào vùng dẫn.

Thông thường, các điện tử được coi là hạt tải điện đa số trong loại tinh thể này và lỗ trống là hạt tải điện nhỏ nhất hiện nay. Số lượng vật liệu tài trợ được thêm vào Silicon tìm ra số lượng các chất mang hiện tại trong cấu trúc của nó.

Số electron trong silicon loại N lớn hơn nhiều lần so với số cặp electron-lỗ trống của silicon nội tại. Ở nhiệt độ phòng, có sự khác biệt chắc chắn về độ dẫn điện của vật liệu này. Có rất nhiều tàu sân bay hiện tại tham gia vào dòng chảy hiện tại. Dòng điện đạt được chủ yếu nhờ các electron trong loại vật liệu này. Do đó, một vật liệu bên ngoài trở thành một chất dẫn điện tốt.

Ảnh hưởng của doping lên vật liệu loại P

Ảnh hưởng của pha tạp đối với vật liệu loại P như sau:

Khi Indium (In) hoặc Gallium (Ga) được thêm vào silicon nguyên chất, vật liệu loại P được hình thành.
Loại vật liệu pha tạp này có ba điện tử hóa trị. Họ đang háo hức tìm kiếm electron thứ tư.
Trong vật liệu loại P, mỗi lỗ trống có thể chứa một electron. Để lấp đầy vùng lỗ trống này, cần rất ít năng lượng bởi các điện tử từ các nhóm liên kết cộng hóa trị lân cận.
Silicon thường được pha tạp với vật liệu pha tạp trong khoảng từ 1 đến 106. Điều này có nghĩa là vật liệu P sẽ có nhiều lỗ hơn các cặp electron-lỗ trống của silicon nguyên chất.
Ở nhiệt độ phòng, có một sự khác biệt đặc trưng rất xác định về độ dẫn điện của vật liệu này.

Hình dưới đây cho thấy cấu trúc tinh thể của Silicon bị thay đổi như thế nào khi pha tạp chất với nguyên tố nhận - trong trường hợp này là Indi. Một miếng vật liệu P không tích điện dương. Các nguyên tử của nó chủ yếu là trung hòa về điện.

Tuy nhiên, có những lỗ trống trong cấu trúc cộng hóa trị của nhiều nhóm nguyên tử. Khi một điện tử di chuyển đến và lấp đầy một lỗ trống, lỗ trống đó sẽ trở nên trống rỗng. Một lỗ trống mới được tạo ra trong nhóm ngoại quan nơi electron rời đi. Chuyển động lỗ trong hiệu ứng là kết quả của chuyển động electron. Một vật liệu loại P sẽ dẫn truyền với năng lượng chỉ 0,05 eV.

Hình trên cho thấy một tinh thể loại P sẽ phản ứng như thế nào khi được kết nối với nguồn điện áp. Lưu ý rằng có số lượng lỗ trống lớn hơn số electron. Với điện áp đặt vào, các electron bị hút vào cực dương của pin.

Theo một nghĩa nào đó, các lỗ di chuyển về phía cực âm của pin. Một electron được nhận vào thời điểm này. Electron ngay lập tức lấp đầy một lỗ trống. Sau đó lỗ trống trở nên trống rỗng. Đồng thời, một electron được kéo ra khỏi vật liệu bằng cực dương của pin. Do đó, các lỗ di chuyển về phía cực âm do các electron dịch chuyển giữa các nhóm ngoại quan khác nhau. Với năng lượng được áp dụng, dòng chảy lỗ là liên tục.