N tipa pusvadītājs — definīcija, darbības princips un piemaisījumu loma

N tipa pusvadītājs — skaidra definīcija, darbības princips un piemaisījumu loma elektronikas izpratnē. Uzzini, kā donora atomu izvēle ietekmē vadītspēju.

N tipa pusvadītājs ir tāda veida materiāls, ko izmanto elektronikā.

To izgatavo, tīram pusvadītājam, piemēram, silīcijam vai ģermānijam, pievienojot piemaisījumu. Izmantotie piemaisījumi var būt fosfors, arsēns, antimons, bismuts vai kāds cits ķīmisks elements. Tos sauc par donora piemaisījumiem. Piemaisījumu sauc par donoru, jo tas pusvadītājam dod brīvu elektronu. Tas tiek darīts, lai materiālā būtu vairāk lādiņnesēju jeb elektronu vadu, kas pieejami vadītspējai. Galīgais materiāls ir daudz vadītspējīgāks nekā sākotnējais silīcijs vai germānijs.

Kā darbojas N tipa pusvadītājs

N tipa nozīmē, ka materiālā dominē negatīvi lādēti lādiņnesēji — elektroni. Kad tīrā pusvadītājā (piem., silīcijā) ievieto donora atomus, tiem parasti ir viens ārējais elektrons vairāk nekā saimnieciskajam atomam. Šis papildu elektrons ir vāji piesaistīts donoram un pie istabas temperatūras parasti viegli jonizējas, kļūstot par brīvu elektronu vadīšanas joslā. Rezultātā materiāla vadītspēja pieaug, jo pieejams vairāk brīvo elektronu.

Piemaisījumu loma un jonizācija

• Donoru tipi: tipiski donori silīcijam ir fosfors, arsēns, antimons, bismuts.
• Jonizācijas pakāpe: pie istabas temperatūras donora atomi gandrīz pilnībā jonizējas, tāpēc vairākums piemaisījuma atomu nodrošina brīvus elektronus.
• Koncentrācija: tipiskās dopinga koncentrācijas mikroelektronikā svārstās no aptuveni 10^14 līdz 10^19 atomiem/cm³; augstāka koncentrācija palielina lādiņnesēju skaitu, bet var samazināt elektronu mobilitāti sakarā ar skaitļošanas un skarību pieaugumu.

Elektroniskās īpašības un Fermi līmenis

N tipa pusvadītājā Fermi līmenis pārvietojas tuvāk vadīšanas joslai nekā tīrā pusvadītājā. Tas nozīmē, ka pie dotās temperatūras ir lielāka varbūtība atrast elektronus vadīšanas joslā. Runājot par lādiņnesējiem, elektronus sauc par galvenajiem (majority) lādiņnesējiem, bet caurumus — par mazākuma (minority) lādiņnesējiem.

Ražošanas metodes

Biežāk lietotās dopinga metodes:

• Difūzija: dopanta atomi ieplūst silīcijā augstā temparatūrā no gāzveida vai cietas avota.
• Iona implantācija: donora joni ar augstu enerģiju tiek iešauti materiālā, pēc tam parasti seko termiska annealēšana, lai atjaunotu kristālisku režģi.

Temperatūras ietekme un vadītspēja

Temperatūra ietekmē donoru jonizāciju un lādiņnesēju mobilitāti. Pie zemām temperatūrām daļa donoratomu var būt nejonizēti, samazinot brīvo elektronu skaitu. Pie augstām temperatūrām pieaug fononisko skarību skaits, kas var samazināt elektronu mobilitāti, tomēr kopējā vadītspēja parasti paliek lielāka nekā tīrā pusvadītājā, ja dopinga līmenis ir pietiekami augsts.

Lietojumi un nozīme

N tipa pusvadītāji ir pamats mūsdienu elektronikai. Tipiski pielietojumi:

• PN pārslēgi un diodes — n puse PN savienojumā nodrošina elektronus kā galveno lādiņnesēju.
• Transistori (BJT, MOSFET) — daudzas ierīces izmanto n tipa slāņus kā avotus, drenāžas vai kontaktus.
• Integrētās shēmas un mikroprocesori — gan n, gan p dopings tiek precīzi kontrolēts, lai izveidotu nepieciešamās elektroniskās funkcijas.
• Saules elementi un optoelektronika — n tipa slāņi veido kontaktus un aktīvos slāņus dažādās struktūrās.

Kopsavilkums

N tipa pusvadītājs ir dopēts pusvadītājs, kurā dominē brīvie elektroni kā lādiņnesēji. Donoru piemaisījumi, piemēram, fosfors vai arsēns, nodrošina šos elektronus, padarot materiālu vadītspējīgāku nekā tīrs silīcijs vai ģermānijs. N tipa materiāli ir fundamentāli svarīgi elektronikas ierīcēs, jo tie ļauj kontrolēt vadāmību un veidot PN savienojumus, kas ir aktīvo komponentu pamatā.

Meklēt pēc burta