N-type halvleder: definition, doping og egenskaber

Lær om N-type halvledere: definition, donor-dopning (fosfor, arsen m.fl.), frie elektroner og elektriske egenskaber – essensen bag moderne elektronik.

En N-type halvleder er en type materiale, der anvendes i elektronik.

Det fremstilles ved at tilsætte en urenhed til en ren halvleder som f.eks. silicium eller germanium. De anvendte urenheder kan være fosfor, arsen, antimon, bismuth eller et andet kemisk element. De kaldes donorforureninger. Forureningen kaldes en donor, fordi den giver en fri elektron til en halvleder. Formålet med dette er at gøre flere ladningsbærere eller elektrontråde tilgængelige i materialet til at lede elektroner. Det endelige materiale er meget mere ledende end det oprindelige silicium eller germanium.

Hvordan doping virker

Når et donoratom (typisk et gruppe V-element som fosfor eller arsen) indsættes i et krystalgitter af f.eks. silicium, erstatter det et siliconatom og bringer et ekstra valenselektron med sig. Dette ekstra elektron binder sig svagt til donoratomet og kan relativt let frigøres til halvlederens ledningsbånd ved almindelige temperaturer. Donorens elektronniveau ligger derfor tæt under ledningsbåndet, og ved termisk ionisering bliver elektronerne frie ladningsbærere.

Egenskaber og begreber

• Majoritetsbærere: I en N-type halvleder er elektroner majoritetsladningsbærere.
• Minoritetbærere: Huller er minoritetsbærere og opfører sig anderledes i transport og recombination.
• Ledningsevne: Den elektriske ledningsevne kan tilnærmes med σ = q · n · μ, hvor q er elementarladningen, n er elektronkoncentrationen og μ er elektronmobiliteten. For en vel dopet N-type er n omtrent lig donor-koncentrationen ND minus eventuelle acceptorer (kompensation).
• Temperaturafhængighed: Ved lave temperaturer kan donor-elektroner være bundet (freeze‑out). Ved moderate temperaturer er materialet i et eksentrisk regime, hvor dopningen bestemmer ledningen. Ved meget høje temperaturer bliver intrinsic bærere dominerende.
• Dopningsniveauer: Doping tæthed varierer typisk fra ~10^13 til >10^19 cm^-3 afhængigt af komponenten og ønsket ledningsevne.

Fremstillingsmetoder

De mest almindelige metoder til at gøre en halvleder N-type er:

• Diffusion: Gasformige dopantkilder diffunderes ind i silicium ved høje temperaturer for at opnå ønsket dybde og koncentration.
• Ionimplantation: Dopantioner accelereres og "skydes" ind i waferens overflade efterfulgt af en annealing‑proces for at reparere krystalgitteret.

Anvendelser

N-type halvledere er grundlæggende i stort set alle elektroniske enheder:

• PN‑overgange og dioder (N‑side vs. P‑side)
• Bipolære transistorer (f.eks. NPN‑strukturen)
• MOSFETs (n‑kanal enheder bruger N‑type regioner)
• Fotodioder, sensorer og andre aktive komponenter, hvor kontrol af elektronkoncentration er nødvendig

Sammenligning med P-type

Mens en N‑type har elektroner som flertalsbærere (donorer), indeholder en P‑type acceptoratomer (typisk gruppe III-elementer som bor), som skaber huller som majoritetsbærere. Mange elektroniske funktioner opnås ved at kombinere N‑ og P‑regioner (f.eks. PN‑junctions), hvor deres forskellige ladningsbærere giver diode- og transistoradfærd.

Praktiske bemærkninger

I praksis skal man også tage højde for kompensation (når både donor‑ og acceptoratomer er til stede), krystaldefekter, og overflade‑ eller grænsefladeeffekter, som kan påvirke mobilitet og levetid for ladningsbærere. Valget af dopant, koncentration og procesparametre afgør slutmaterialets elektriske egenskaber og egnethed til specifikke anvendelser.

Søg efter bogstav