N tipo puslaidininkis: apibrėžimas, donorinės priemaišos ir savybės

Sužinokite, kas yra N tipo puslaidininkis, kaip veikia donorinės priemaišos (fosforas, arsenas) ir kokios jų elektrinės savybės — aiškus apibrėžimas ir taikymas elektronikoje.

N tipo puslaidininkis — tai elektronikoje naudojama medžiaga, kuriai suteiktas elektronų perteklius per priemaišų įterpimą.

Jis gaminamas į grynąjį puslaidininkį, pavyzdžiui, silicį arba germanį, pridedant priemaišų. Priemaišos gali būti fosforas, arsenas, stibis, bismutas ar kitas cheminis elementas. Jos vadinamos donorinėmis priemaišomis, nes jos puslaidininkiui suteikia laisvą elektroną. Tokiu būdu medžiagoje padaugėja krūvio nešiklių — daugėja elektronų, kurie atlieka pagrindinį laidumo vaidmenį. Galutinė medžiaga yra žymiai laidesnė už grynąjį silicį ar germanį.

Kaip veikia donorinės priemaišos

Donorinės priemaišos paprastai yra penkiavalenčiai elementai (V grupės), turintys vienu elektronu daugiau nei pagrindinis puslaidininkis. Įterpus donorą, jo išorinės orbitalės sukuria energijos lygį šiek tiek žemiau laidumo juostos. Šis lygis lengvai ionizuojasi prie įprastinės temperatūros — elektronas išeina į laidumo juostą ir tampa laisvu nešikliu.

Svarbiausios savybės

• Majoritiniai nešikliai: n tipo medžiagoje didžiausią dalį krūvio perneša elektronai (majoritiniai), o skylės yra minoritiniai nešikliai.
• Fermi lygis: dėl donorinių priemaišų Fermi energijos lygis pasislenka arčiau laidumo juostos.
• Koncentracija: dopingo koncentracijos įprastai svyruoja nuo maždaug 10^13 iki 10^19 cm^-3 — didesnė koncentracija reiškia geresnį laidumą, bet mažesnę mobilumą dėl impurity scattering.
• Temperatūros priklausomybė: esant žemai temperatūrai, dalis donorų gali nebeužsidegti (freeze‑out), todėl laidumas mažėja; esant aukštesnei temperatūrai, terminė generacija taip pat prisideda prie krūvio nešiklių skaičiaus.
• Elektros parametrai: laidumas σ ≈ q · n · μ_n, kur q — elemento krūvis, n — elektronų koncentracija, μ_n — elektronų mobilumas.

Gamyba ir dopinimo metodai

• Diffuzija: cheminis dopinimas garais arba skysčiais aukštoje temperatūroje; pigus ir paplitęs procesas.
• Jonų implantacija: tikslus priemaišų įterpimas su vėlesniu terminio apdorojimo (angl. annealing) žingsniu; leidžia kontroliuoti gilumą ir koncentraciją.
• Epitaksinis augimas: leidžia auginti sluoksnius su tiksliai nustatytu dopingo profiliu (pvz., MOCVD, CVD).
• Kompensacija: jei medžiagoje yra priemaišų abiejų tipų (donorų ir akceptorų), jos gali vienos kitas kompensuoti — svarbu išlaikyti norimą koncentarciją.

Praktinis naudojimas

N tipo puslaidininkiai yra kertiniai elektronikos komponentai. Jie naudojami:

• p–n sandūrose (dioduose), kur kartu su p tipo sluoksniu suformuoja iškrovos, lygio juostas ir kontaktus;
• transistoriuose (pvz., bipoliniai, MOSFET), kur n tipo regionai sudaro emiterius, kolektorius ar kanalus;
• saulės elementuose, jutikliuose, šviesos dioduose (LED) — n tipo sluoksnis dažnai yra viena iš sluoksnių struktūros dalių;
• elektromagnetiniuose ir termoelektriniuose prietaisuose, kur reikia kontroliuoti laidumą ir tipą.

Charakterizavimas ir matavimas

• Hall efektas: leidžia nustatyti nešiklių tipą (n ar p), koncentraciją ir mobilumą.
• Keturių taškų matavimo metodas: naudojamas sluoksnio arba plokštelės pasipriešinimui/varžai matuoti be kontaktų varžos įtakos.
• Spektrinė analizė: DLTS ar kitų metodų pagalba galima ištirti priemaišų energijos lygius ir defektus.

Praktinės pastabos

N tipo medžiagos privalumas — didesnis elektronų tankis ir geresnės elektros charakteristikos tam tikrose grandinėse, tačiau reikėtų atsižvelgti, kad labai stipriai dopingavus sumažėja elektronų mobilumas ir padidėja sklaida, kas gali paveikti signalo greitį ir triukšmą. Projektuojant prietaisus svarbu parinkti tinkamą dopingo profilį ir kontaktų technologiją (pvz., užtikrinti ohminį kontaktą), kad būtų pasiektas pageidaujamas veikimas.

Santrauka: N tipo puslaidininkis — tai ekstrinsiška (dopinginė) medžiaga, kurios laidumą didina donorinės priemaišos. Ji pasižymi didesniu elektronų kiekiu, Fermi lygio pasislinkimu prie laidumo juostos, ir plačiu naudojimu elektronikos prietaisuose. Tinkamai parinkus dopinimo metodą ir koncentraciją, galima optimizuoti medžiagos elektrines savybes specifiniams pramoniniams ar moksliniams poreikiams.

Paieška pagal raidę