Легирани полупроводници от N-тип

В предишно видео видяхме, че ако вземеш собствен, или чист, полупроводник, тогава при всяка температура броят електрони е равен на броя дупки. В това видео ще проучим какво се случва, ако вземем примесен полупроводник, полупроводник с някои специфични примеси, какво се случва с броя електрони и дупки. Нека открием това. За да направим проводниците примесни, трябва да добавим примеси и този процес на добавяне на примеси наричаме дотиране. Дотирането е процесът на добавяне на примеси. И когато кажем примес, имаме предвид всичко, различно от силиций – това имаме предвид под "примес", общо казано. И правим това, защото подобрява свойствата му, прави полупроводника по-добър. И в това видео ще видим как го прави по-добър. И думата дотиране в случая означава добавяне на чужди вещества, примеси за подобряване на свойствата. Големият въпрос ще е какви примеси да добавим – между другото, когато добавяш примеси, получаваш полупроводник, който вече не е собствен, чист, а ще го наречем примесен полупроводник. Техническото име е примесен полупроводник, което, по същество, означава, че не е чист. Но друг голям въпрос е какви примеси можем да добавим. Можем ли да добавим всичко? Оказва се, че не. Това е един от тези редки моменти във физиката, когато ще вземем периодичната таблица. и можеш да видиш, че силицият стои тук под група 14. Оказва се, че за да подобрим свойствата му, трябва да добавим или елементи от група 13 – една група по-малко – или от група 15 – една група повече. Или тези елементи, или тези. И ако добавиш тези, получаваш един вид нечист полупроводник, примесен полупроводник, а ако добавиш тези, получаваш друг вид примесен полупроводник, нечист полупроводник. В това видео ще се фокусираме върху елементите от група 15, а в друго видео ще се фокусираме върху група 13. И можем да изберем всеки елемент – азот, фосфор, арсен – ще избера фосфор. И може да се чудиш защо трябва да избираме само от тези елементи и ще поговорим за това защо само тези елементи ни вършат работа към края на видеото. Но ако разгледаш фосфора, забележи, той има 15 електрона – един повече от силиция, а това означава, че тъй като силиция има четири валентни електрона, фосфорът ще има пет валентни електрона – това е фосфорният атом, фосфорните атоми имат пет валентни електрона и начинът на добавяне на тази фосфорна примес към полупроводника – това е много сложен процес, единият е дифузия – при определена температура се прекарва някакъв газ над силициевия кристал и атомите ще навлязат в силиция и понякога ще заменят някои от силициевите атоми. Понякога ще има пространство тук, ще липсват силициеви атоми, ще има дефекти и цялото това нещо може да запълни дупката. Много неща са възможни. Нека приемем, че фосфорът ще замести един от силициевите атоми –може би този го няма, може би не е бил там, а това е кристален дефект, сега фосфорът ще навлезе тук и добре ще пасне тук и когато направи това, забележи, че четири от електроните му ще образуват ковалентни връзки със съседните силициеви атоми. И тези са доста "щастливи", понеже не ги интересува дали това е силиций, или фосфор, интересува ги само да имат осем електрона и те наистина ги имат, но ключовото нещо да забележим тук е този пети електрон, върху него ще се фокусираме. Какво ще се случи с петия електрон? Свободен ли е да се придвижи през кристалните решетки, понеже не е свързан? Трябва да внимаваме, трябва да гледаме енергийното ниво на този електрон. Нека се върнем към зонната диаграма. Досега доста сме използвали зонната диаграма. Виждали сме, че при много ниски температури чистият проводник – това е зонната диаграма на чистия полупроводник – той ще е напълно запълнил валентната зона. Какво е енергийното ниво на този електрон, във валентната зона ли лежи, или в провеждащата зона? Но можеш да направиш изчисленията, за да направиш това, и се оказва, че енергийното му ниво лежи някъде ето тук, точно под... много близо до дъното на провеждащата зона. Добре тези електрони на фосфорните атоми ще са при това ниво – нека покажа това така. Първо можеш да се запиташ как това е възможно, не е ли забранено електроните да са в тази енергийна пролука. Да, но това са електроните на силиция. Но фосфорните електрони ще имат свои собствени енергийни нива. Оказва се, че това енергийно ниво на това ще е ето тук и сега трябва да открием какво ще се случи. При много ниска температура това ще действа като изолатор, понеже тези електрони не са свободни, понеже тези са в забранената зона, няма налични енергийни нива. Но когато стигнем до стайна температура – вече сме виждали, че при стайна температура един чист (собствен) полупроводник, някои електрони от валентната зона могат да абсорбират топлинна енергия и да прескочат в провеждащата зона, и да станат свободни, а това се нарича генериране на топлина. Но, помисли, ако топлинната енергия може да възбуди тези електрони, няма ли да е още по-лесно да се възбудят тези електрони – тези и тези – понеже разликата в енергия е толкова малка, тя е само около един електрон-волт за силиция, а се оказва, че за фосфора е около 0,5 електрон-волта – тя е толкова малка, че тези електрони могат лесно за прескочат в провеждащата зона и, като резултат, се оказва, че при стайна температура почти всички фосфорни атоми ще отдадат валентните си електрони. Всички те ще прескочат в провеждащата зона и, като резултат, добавянето на елементи от група 15 увеличава броя електрони – нека запишем това – и, между другото, това е обобщение на всичко. Но, накратко, добавянето на елементи от група 15 ще ти даде много повече електрони, отколкото дупки. Нека приключим с няколко наименования, които даваме на това, и с някои любопитни въпроси, които може да имаме. Тъй като имаме много повече електрони, масовите носители на заряда са отрицателните електрони, този полупроводник се нарича полупроводник тип n, n за отрицателен (negative), отрицателен вид. Когато чуеш думата вид n, трябва да се сетиш, че n ни казва, че този полупроводник е примесен, нечист, има много повече електрони – броят на електроните е по-голям от броя на дупките – и тъй като фосфорът е отдал един електрон към силиция за провеждане, тази примес също се нарича донорна примес. Всички примеси от група 15 се наричат донорни примеси. Обикновено използваме това име. А това ниво, при което беше електронът, преди да прескочи в зоната за провеждане, наричаме донорно ниво. И има още няколко интересни неща, преди да приключим. Едното е голямото погрешно схващане, че тъй като имаме много повече електрони, отколкото дупки, този полупроводник вид n трябва да е отрицателен. Всъщност не, помисли, започнахме с неутрален чист полупроводник, всички силициеви атоми бяха незаредени. И добавихме неутрален фосфор. Тогава как може това да е заредено? То трябва да е неутрално. Важно е да разберем, че имаме всички тези допълнителни електрони, но за всеки отдаден електрон фосфорният атом е загубил електрон и е станал положителен йон. Фосфорът ни е станал положителен – при всяка донорна позиция има положителен заряд, който съкращава отрицателния заряд на тези допълнителни електрони и запазва това неутрално. Полупроводникът пак е неутрален. И, последно, защо използваме елементи от група 15? Ако вземем периодичната таблица, може би можеше да добавиш група 16, като сяра, тя има шест валентни електрона, а това означава, че ще получа два свободни електрона – повече електрони не е ли по-добре? Отговорът е не. Ключът е да разгледаме донорното ниво. Причината елементи от група 15 да ни вършат толкова хубава работа е, понеже, както се оказва, за всички тези елементи донорното ниво е много близко до дъното на провеждащата зона и, като резултат, тези допълнителни електрони, предоставени от донорите, могат лесно да бъдат прехвърлени към провеждащата зона и почти всички тях ще се прехвърлят, но ако разгледаш група 16 или група 17, ако направиш изчисленията, оказва се, че донорното ниво става по-ниско и по-ниско, и по-ниско. И си представи, че имаш толкова ниско донорно ниво – тогава дори ако имаш два или три пъти повече електрони, прехвърлянето им ще е много трудно, така че няма да има смисъл. И причината да използваме група 15 е, че донорното ниво на елементите от нея е много близо до дъното на провеждащата зона. И постигнахме ли това, което искаме, това еднопосочен проводник ли е? Да видим. Обикновено ето така обозначаваме полупроводник тип n. Игнорираме силициевите атоми, показваме само донорните йони, помни, положителни са, понеже са отдали електрони. Всички са отдали електрони, но цялото нещо е останало неутрално и, разбира се, поради генерацията на топлина има няколко двойки електрон-дупка и сега електроните са преобладаващите носители, дупките са по-малкото на брой носители и тези са неподвижни. Въпреки че имат заряди, не мисли, че те могат да се движат. Но това действа ли като еднопосочен проводник? Просто увеличихме броя електрони. Не мисля, че това ще промени нещо, нали така? Не действа като еднопосочен проводник – без значение дали ще поставиш електрическо поле надясно, или наляво, той пак ще провежда – във всеки случай е по-добър проводник от чистия полупроводник. Но пак не получихме каквото искахме, така че полупроводникът тип n сам по себе си все още е доста безполезен, но в следващите видеа ще видим как можем да направим нещо полезно от него.