N-typ halvledare: hur dopning skapar fria elektroner

N-typ halvledare: hur dopning med donatorer (fosfor, arsenik m.fl.) skapar fria elektroner och ökar ledningsförmågan i kisel och germanium.

En halvledare av N-typ är en typ av material som används i elektronik.

Den tillverkas genom att en förorening läggs till en ren halvledare, t.ex. kisel eller germanium. De föroreningar som används kan vara fosfor, arsenik, antimon, vismut eller något annat kemiskt element. De kallas donatorföroreningar. Orenheten kallas donator eftersom den ger en fri elektron till en halvledare. Syftet med detta är att göra fler laddningsbärare, eller elektrontrådar, tillgängliga i materialet för ledning. Det slutliga materialet är mycket mer ledande än det ursprungliga kisel eller germanium.

Hur dopning skapar fria elektroner

De vanligaste donatorerna för kisel och germanium är grundämnen i grupp V i periodiska systemet (t.ex. fosfor, arsenik, antimon), eftersom dessa har fem valenselektroner medan kisel och germanium har fyra. När en sådan atom ersätter ett värdeatomsställe i kristallgittret bidrar den fjärde valenselektronen till kovalenta bindningar, men den femte elektronen är löst bundet och kan lätt frigöras till ledningsbandet.

Energetiskt placeras donoratomens energi-nivå strax under ledningsbandet. Vid rumstemperatur krävs bara en liten mängd termisk energi för att excitera denna elektron upp i ledningsbandet, vilket gör den fri att röra sig genom materialet. Donatorn blir då en positivt laddad jon fast i gitterplatsen.

Elektrisk beteende och begrepp

• Majoritetsbärare: I en N-typ halvledare är elektroner majoritetsbärare (de laddningsbärare som finns i störst antal).
• Minoritet: Hål fungerar som minoritetsbärare.
• Naming: Bokstaven "N" kommer av att elektroner är negativt laddade.
• Jonisering: Donatorer blir positivt laddade joner efter att de lämnat ifrån sig en fri elektron.

Praktiska detaljer

Dopningsnivåer varierar beroende på tillämpning: mycket låga koncentrationer (till exempel 10^13–10^15 cm^−3) används för vissa sensorer och högpresterande enheter, medan logiska kretsar och kraftkomponenter ofta använder 10^15–10^19 cm^−3. Vid mycket höga dopningsnivåer kan materialet bete sig som ett degenererat halvledarmaterial med metalliskt ledningsbeteende.

Tekniker för att införa donatorer i ett kiselkristall inkluderar diffusion och jonimplantation. Efter inplantering krävs ofta annealing (värmebehandling) för att reparera gitterstörningar och aktivera dopanter så att de sitter på rätt gitterställen och kan bidra med fria elektroner.

Temperaturberoende

Vid mycket låga temperaturer kan en del donatorer inte vara fullt joniserade (s.k. freeze‑out), vilket minskar antalet fria elektroner. Vid högre temperaturer ökar termisk jonisering och färre elektroner binds kvar till donatorerna. Vid mycket höga temperaturer blir materialets egen termiska generering av elektron‑hål‑par viktig och materialet övergår mot intrinsikt beteende.

Tillämpningar

N‑typ halvledare är grundläggande i många elektroniska komponenter: dioder och PN-övergångar, transistorer (BJT och MOSFET), integrerade kretsar och många sensorer. Genom att kombinera N‑typ och P‑typ material kan man styra rörelsen av elektroner och hål och därigenom skapa funktioner som switchning, förstärkning och rektifiering.

Sammanfattning: Genom att introducera noggrant valda donatorföroreningar i en ren halvledare ökar antalet fria elektroner kraftigt, vilket ger ett N‑typ material med högre ledningsförmåga där elektroner är de dominerande laddningsbärarna.

Sök med bokstav