Для того чтобы превратить полупроводник в n-тип, в него вводят примеси, которые увеличивают количество свободных электронов в его кристаллической решётке. Это делается через процесс, называемый допированием.
1. Типы полупроводников
Сначала стоит напомнить, что полупроводники делятся на два типа:
p-тип — с избыточными дырками (отсутствие электронов в валентной зоне).
n-тип — с избыточными электронами (свободными носителями заряда).
2. Механизм формирования полупроводника n-типа
Полупроводники обычно имеют четырёхвалентные атомы (например, кремний SiSi, германий GeGe), в которых каждый атом образует четыре ковалентных связи с соседними атомами. Однако, если в кристалл ввести примеси, то это может изменить баланс носителей заряда, в зависимости от свойств этих примесей.
2.1. Примеси для n-типа
Чтобы создать n-тип полупроводника, в кристалл вводят донорные примеси — атомы с пятью валентными электронами, которые могут отдавать один электрон в проводящую зону. Эти примеси называются донорными и имеют более высокую валентность, чем сами атомы полупроводника. В случае кремния доноры обычно представляют собой элементы, расположенные в таблице Менделеева в группе 5, например:
Фосфор (P)
Арсен (As)
Антимон (Sb)
Эти элементы могут заменить атомы кремния в кристаллической решётке, предоставляя дополнительные свободные электроны.
2.2. Механизм работы донорных примесей
Допустим, что в кристалл кремния введен атом фосфора (P), который имеет пять валентных электронов. Атом фосфора будет вступать в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, как это делает сам кремний, но пятый электрон фосфора не будет участвовать в образовании связи. Этот электрон ослаблено связан с атомом фосфора и легко может быть передан в проводящую зону, где он становится свободным носителем заряда. Таким образом, количество свободных электронов увеличивается.
После введения донорных примесей в кристалл полупроводника, большая часть свободных носителей заряда (электронов) будет поступать именно от донорных атомов. Эти свободные электроны в проводящей зоне и создают n-тип проводимости, где n означает, что основными носителями заряда являются электроны (в отличие от дырок, как в p-типе).
2.3. Энергетические уровни доноров
Каждый донорный атом в полупроводнике создаёт в энергетической диаграмме полупроводника новый уровень, который располагается чуть выше уровня валентной зоны, но ниже уровня проводимости. Эти уровни называются донорными уровнями.
Для фосфора, например, донорный уровень находится всего лишь на несколько десятых электронвольта выше валентной зоны, что делает его достаточно близким, чтобы электроны с лёгкостью переходили в проводящую зону при комнатной температуре. При этом сам донорный атом остаётся в кристаллической решётке в виде иона с положительным зарядом (так как он потерял электрон).
3. Пример: Донорные примеси
Фосфор (P): Имеет 5 валентных электронов. Введённый в кристалл кремния, фосфор создаёт свободный электрон, который может быть передан в проводящую зону.
Арсен (As): Точно так же, как фосфор, имеет 5 валентных электронов и создаёт свободный электрон в полупроводнике.
Антимон (Sb): Также обладает 5 валентными электронами и ведёт себя аналогично фосфору и арсену.
Эти элементы используются в качестве доноров для создания n-типа проводимости в кремнии, германии и других полупроводниковых материалах.
4. Каковы последствия допирования для свойств материала?
Увеличение концентрации носителей заряда: Введение донорных примесей увеличивает количество свободных электронов в полупроводнике, что значительно улучшает его проводимость.
Смещение F-уровня: Энергетический уровень Fermi (уровень, на котором вероятность нахождения электрона равна 50%) смещается ближе к проводящей зоне, так как новые носители заряда (свободные электроны) располагаются в этой зоне.
Температурная зависимость проводимости: В полупроводниках n-типа проводимость зависит от температуры, так как при повышении температуры количество свободных носителей увеличивается, что улучшает проводимость. В отличие от металлов, в полупроводниках проводимость возрастает с увеличением температуры, а не уменьшается.
5. Заключение
Для создания n-типа полупроводника в него вводят донорные примеси, такие как фосфор, арсен или антифон, которые имеют пять валентных электронов и создают в полупроводниковом материале дополнительные свободные электроны. Эти свободные электроны становятся основными носителями заряда в проводящей зоне и определяют n-тип проводимости.
