Polprevodnik tipa N: definicija, dopiranje in električne lastnosti

Polprevodnik tipa N je vrsta materiala, ki se uporablja v elektroniki in nastane z namernim uvajanjem donorskih nečistoč v čist kristal silicija ali germanija. V osnovi gre za extrinsic polprevodnik, kjer so za prevodnost glavni nosilci naboja elektroni.

Izdelan je z dodajanjem nečistoč čistemu polprevodniku, kot sta silicij ali germanij. Primesi so lahko fosfor, arzen, antimon, bizmut ali drug kemični element. Imenujejo se donorske nečistoče. Primesi se imenujejo donorske, ker polprevodniku dajejo proste elektrone. Namen tega je, da je v materialu na voljo več nosilcev naboja ali elektronskih žic za prevodnost. Končni material je veliko bolj prevoden od prvotnega silicija ali germanija.

Dopiranje in kako deluje

Donorske nečistoče običajno zavzamejo mesto atomov matrice (substitucijsko dopiranje). Ker imajo elementi, kot so fosfor ali arzen, pet valentnih elektronov, en presežnik elektrona ostane šibko vezan in se pri sobni temperaturi enostavno ionizira v prevodno pasu. Tak donor torej odda elektron in ostane pozitivno nabit ion.

• Ionizacijska energija teh donorskih nivojev je običajno majhna (nekoliko deset meV), zato so pri sobni temperaturi večinoma popolnoma ionizirani.
• Metode dopiranja: termična difuzija, plazemsko difundiranje in ion implantation so najpogostejše tehnologije v sodobni mikroelektroniki.
• Obstajajo plitvi donorji (lahko ionizirajo pri nizkih energijah) in globoki nivoji, ki vplivajo na električne lastnosti drugače.

Električne lastnosti

Glavne električne značilnosti polprevodnika tipa N so določene z gostoto donorjev (N_D), koncentracijo prostih elektronov (n), njihovo mobilnostjo (μ) in s temperaturo. Osnovna enačba za prevodnost je:

σ = q · n · μ

kjer je σ prevodnost, q naboj elektrona, n koncentracija prostih elektronov in μ njihova gibljivost. Pri močno dopiranih materialih se n približa koncentraciji donorjev (če ni večjih kompenzacij).

• Večje dopiranje poveča n in posledično σ, vendar hkrati z več nečistočami pada μ zaradi razprševanja na nečistočah in defektih.
• Fermi nivo se pri dopiranju premakne bližje prevodnemu pasu (za n-tip), kar je pomembno za oblikovanje stikov in delovanje naprav.
• Pri nizkih temperaturah lahko nastopi freeze-out, ko donorji niso več ionizirani in se reducenta prostih nosilcev zmanjša.
• Obstajajo tudi minority carriers (luknje), katerih gostota je mnogo manjša kot pri elektronih, a so pomembne pri pojavih, kot so rekombinacija in prevodnost v PN-sklopu.

Praktični vplivi in naprave

Polprevodnik tipa N je temelj sodobnih elektronskih elementov. Uporablja se v:

• PN-prehodih (diode) — pri stikih med N in P območjem nastane izčrpovalna plast z električnim poljem, katere širina je odvisna od nivoja dopiranja.
• Transistorjih (BJT, MOSFET) — n-tip regije so pogosto vir/odtočni ali kanalni območji v napravah za prenos toka.
• Zasilnih ali namenskih slojih v integriranih vezjih (n-well, n+ regije), kjer je natančna kontrola dopinga ključna za delovanje komponent.

Tipične vrednosti in dodatne opombe

• Tipične koncentracije donorjev v siliciju se gibljejo med približno 10^14 in 10^19 cm^-3, odvisno od aplikacije (logična integrirana vezja običajno uporabljajo nižje vrednosti, močno dopirane dele pa za stike in ohmovo spajanje).
• Kompenzacija: če so prisotne tudi akceptorne nečistoče, se del donorjev nevtralizira in efektivna koncentracija prostih elektronov je manjša kot skupna N_D.
• Električna upornost (rezistivnost) močno pada z večanjem koncentracije donorjev, vendar se zaradi padca mobilnosti učinek ne povečuje linearno z N_D.

V praksi je nadzor dopinga kritičen del proizvodnje polprevodniških naprav — majhne spremembe v koncentraciji ali porazdelitvi donorjev lahko pomembno vplivajo na zmogljivost, izhodne karakteristike in zanesljivost elektronskih komponent.

Išči po črki