N-тип полупроводник: какво е, донорни примеси и свойства

Полупроводник от N-тип е вид материал, използван в електрониката.

Получава се чрез добавяне на примес към чист полупроводник, например силиций или германий. Използваните примеси могат да бъдат фосфор, арсен, антимон, бисмут или друг химичен елемент. Те се наричат донорни примеси. Примесът се нарича донор, защото дава свободен електрон на полупроводника. Целта на това е да се осигурят повече носители на заряд или електронни проводници в материала за провеждане. Крайният материал е много по-проводим от първоначалния силиций или германий.

Как работят донорните примеси

Донорните атоми имат един валентен електрон повече от атомите на основния полупроводник (например силиций). Когато донорът замести атом в кристалната решетка, този допълнителен електрон е свързан с много малка енергия и лесно може да бъде освобождаван в проводимата лента. Така се образува свободен електрон, който служи като основен носител на заряд в N-тип полупроводника.

• Ширина на енергийното ниво: Донорните нива обикновено са „плитки“ — близо до проводимата лента, което позволява термично йонизиране при стайна температура.
• Мажоритарни и миноритарни носители: В N-тип материала мажоритарни са електроните, а миноритарни — дупките.
• Промяна на Ферми нивото: Допингът измества Ферми нивото към проводимата лента в сравнение с чистия (интринзичен) полупроводник.

Температурна зависимост и режими

Поведението на N-тип полупроводника зависи от температурата:

• Режим на замръзване (freeze-out): При много ниски температури донорните електрони остават свързани и проводимостта намалява.
• Екстринзичен (ективен) режим: При стайна температура повечето донорни атоми са йонизирани и електроните са свободни — материалът проявява повишена проводимост.
• Интринзичен режим: При много високи температури термично създадените електрон–дупкови двойки доминират и поведението се приближава към този на чист полупроводник.

Свойства и практически аспекти

• Проводимост: Увеличава се значително спрямо немодифицирания материал и зависи от концентрацията на допинга (типично в диапазона 10^13 – 10^19 донорни атома/cm³ в полупроводникови устройства).
• Мобилност: При по-висока концентрация на примеси електронната мобилност намалява заради разсейване на зарядите от примесните йони.
• Резистивност: Няма строго фиксирана стойност — тя зависи от концентрацията на донорите и от температурата.
• Компенсация: Ако в материала има и акцепторни (p-тип) примеси, те „компенсират“ донорите и намаляват ефективната концентрация на свободни електрони.

Методи за допинг

Най-често използваните технологии за внасяне на донорни примеси включват:

• дифузия в пещи (thermodiffusion),
• йонна имплантация (ion implantation),
• епитаксиален растеж (например MBE или CVD) с контролирано въвеждане на донори.

Приложения

N-тип полупроводниците са основа на много електронни елементи и технологии:

• pn-връзки и диоди (образуване на n-региони и p-региони),
• биполярни транзистори (n- и p-тип слоеве),
• MOSFET и други полеви транзистори (n-канални устройства),
• фотоволтаични клетки, фотодетектори и светодиоди, където контролът на допинга определя работните характеристики.

Характеризация

За да се определи и контролира допингът и електрическите свойства на N-тип материали, се използват методи като:

• Хол ефект — за измерване на концентрация и вид на носителите,
• четири-точков пробен метод (four-point probe) — за измерване на резистивността,
• SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) — за профилиране на примесите по дълбочина.

Кратко обобщение

Полупроводник от N-тип се получава чрез въвеждане на донорни примеси (като фосфор, арсен, антимон, бисмут) в основния полупроводник. Това осигурява допълнителни свободни електрони, които са мажоритарните носители и повишават проводимостта. Контролът на типа и концентрацията на допинга е ключов за проектирането на диоди, транзистори и други електронни компоненти.

Търсене по буква