Чистый кремний или германий редко используются в качестве полупроводников. Практически используемые полупроводники должны иметь контролируемое количество примесей, добавляемых к ним. Добавление примеси изменит способность проводника, и она действует как полупроводник. Процесс добавления примеси к собственному или чистому материалу называется легированием, а примесь называется легирующей добавкой . После легирования внутренний материал становится внешним материалом. Практически только после допинга эти материалы становятся пригодными для использования.
Когда примесь добавляется в кремний или германий без изменения кристаллической структуры, образуется материал N-типа. В некоторых атомах электроны имеют пять электронов в своей валентной зоне, такие как мышьяк (As) и сурьма (Sb). Легирование кремния ни одной из примесей не должно изменять кристаллическую структуру или процесс связывания. Дополнительный электрон примесного атома не участвует в ковалентной связи. Эти электроны свободно удерживаются вместе своими атомами-инициаторами. На следующем рисунке показано изменение кристалла кремния с добавлением примесного атома.
Влияние допинга на материал N-типа
Влияние легирования на материал N-типа заключается в следующем:
-
При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.
-
Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.
-
Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.
-
Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.
-
Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.
-
Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.
-
Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.
-
Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.
При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.
Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.
Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.
Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.
Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.
Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.
Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.
Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.
Обычно электроны считаются основными носителями тока в кристаллах этого типа, а дырки — меньшими носителями тока. Количество донорного материала, добавляемого в кремний, определяет количество основных носителей тока в его структуре.
Число электронов в кремнии N-типа во много раз больше, чем пары электрон-дырка собственного кремния. При комнатной температуре существует существенная разница в электропроводности этого материала. Есть многочисленные носители тока, чтобы принять участие в потоке тока. Поток тока достигается в основном электронами в этом типе материала. Следовательно, внешний материал становится хорошим электрическим проводником.
Влияние допинга на материал типа P
Влияние легирования на материал типа Р заключается в следующем:
-
При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.
-
Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.
-
В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.
-
Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.
-
При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.
При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.
Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.
В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.
Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.
При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.
На следующем рисунке показано, как изменяется кристаллическая структура кремния при легировании акцепторным элементом — в данном случае индием. Часть материала P не заряжена положительно. Все его атомы в основном электрически нейтральны.
Однако в ковалентной структуре многих групп атомов есть дыры. Когда электрон движется и заполняет отверстие, отверстие становится пустым. Новая дыра создается в связанной группе, где ушел электрон. Движение дырок в действительности является результатом движения электронов. Материал P-типа вступит в проводимость только с приложенной энергией 0,05 эВ.
На рисунке выше показано, как будет реагировать кристалл P-типа при подключении к источнику напряжения. Обратите внимание, что число дырок больше, чем у электронов. При подаче напряжения электроны притягиваются к положительной клемме аккумулятора.
Отверстия в некотором смысле движутся к отрицательной клемме аккумулятора. В этот момент электрон улавливается. Электрон немедленно заполняет дыру. Отверстие становится пустым. В то же время электрон вытягивается из материала положительным контактом батареи. Поэтому отверстия движутся к отрицательному концу из-за смещения электронов между различными связанными группами. С приложенной энергией поток отверстия непрерывен.