Внешний полупроводник — это легированный ; Во время производства полупроводникового кристалла в кристалл химически вводится микроэлемент или химическое вещество, называемое легирующим веществом , с целью придания ему электрических свойств, отличных от свойств чистого полупроводникового кристалла, который называется собственным полупроводником . В примесном полупроводнике именно эти инородные атомы примеси в кристаллической решетке в основном обеспечивают носители заряда , которые переносят электрический ток через кристалл. Используемые легирующие агенты бывают двух типов, в результате чего получаются два типа примесных полупроводников. Электронодонорная примесь представляет собой атом, который при включении в кристалл высвобождает подвижный электрон проводимости в кристаллическую решетку. Внешний полупроводник, легированный атомами доноров электронов, называется полупроводником n-типа , поскольку большинство носителей заряда в кристалле являются отрицательными электронами. Примесь - акцептор электронов — это атом, который принимает электрон из решетки, создавая вакансию, в которой электрон следует называть дыркой, которая может перемещаться через кристалл как положительно заряженная частица. Внешний полупроводник, легированный атомами-акцепторами электронов, называется полупроводником p-типа , поскольку большинство носителей заряда в кристалле являются положительными дырками.
Легирование является ключом к чрезвычайно широкому диапазону электрического поведения, которое могут проявлять полупроводники, а внешние полупроводники используются для изготовления полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды , транзисторы , интегральные схемы , полупроводниковые лазеры , светодиоды и фотоэлектрические элементы . Сложные процессы изготовления полупроводников, такие как фотолитография , позволяют имплантировать различные легирующие элементы в разные области одной и той же полупроводниковой кристаллической пластины, создавая полупроводниковые устройства на поверхности пластины. Например, распространенный тип транзистора, биполярный транзистор npn , состоит из внешнего полупроводникового кристалла с двумя областями полупроводника n-типа, разделенными областью полупроводника p-типа, с металлическими контактами, прикрепленными к каждой части.
Твердое вещество может проводить электрический ток только в том случае, если оно содержит заряженные частицы, электроны , которые могут свободно перемещаться и не прикреплены к атомам. В металлическом проводнике электроны обеспечивают атомы металла; обычно каждый атом металла высвобождает один из своих внешних орбитальных электронов, чтобы стать электроном проводимости , который может перемещаться по кристаллу и переносить электрический ток. Следовательно, количество электронов проводимости в металле равно числу атомов, а это очень большое количество, что делает металлы хорошими проводниками.
В отличие от металлов, атомы, составляющие объемный полупроводниковый кристалл, не несут электронов, отвечающих за проводимость. В полупроводниках электропроводность обусловлена подвижными носителями заряда , электронами или дырками , которые обеспечиваются примесями или атомами легирующей примеси в кристалле. В примесном полупроводнике концентрация легирующих атомов в кристалле во многом определяет плотность носителей заряда, которая определяет его электропроводность , а также множество других электрических свойств. Это ключ к универсальности полупроводников; их проводимостью можно управлять на многие порядки путем легирования.
Легирование полупроводников — это процесс, который превращает собственный полупроводник в внешний полупроводник. Во время легирования атомы примеси вводятся в собственный полупроводник. Атомы примеси — это атомы другого элемента, чем атомы собственного полупроводника. Атомы примеси действуют как доноры или акцепторы собственного полупроводника, изменяя концентрации электронов и дырок в полупроводнике. Атомы примеси классифицируются как атомы донора или акцептора в зависимости от эффекта, который они оказывают на собственный полупроводник.
Атомы донорной примеси имеют больше валентных электронов , чем атомы, которые они заменяют в собственной решетке полупроводника. Донорные примеси «жертвуют» свои дополнительные валентные электроны зоне проводимости полупроводника, передавая лишние электроны собственному полупроводнику. Избыточные электроны увеличивают концентрацию электронных носителей (n 0 ) полупроводника, делая его n-типом.
Атомы примеси-акцептора имеют меньше валентных электронов, чем атомы, которые они заменяют в собственной решетке полупроводника. Они «принимают» электроны из валентной зоны полупроводника. Это создает избыточные дырки в собственном полупроводнике. Избыточные дырки увеличивают концентрацию дырочных носителей (p 0 ) в полупроводнике, создавая полупроводник p-типа.
Полупроводники и легирующие атомы определяются столбцом периодической таблицы , в который они попадают. Определение столбца полупроводника определяет, сколько валентных электронов имеют его атомы и действуют ли атомы примеси как доноры или акцепторы полупроводника.
Полупроводники группы IV используют атомы группы V в качестве доноров и атомы группы III в качестве акцепторов.
Полупроводники групп III–V , сложные полупроводники , используют атомы группы VI в качестве доноров, а атомы группы II в качестве акцепторов. Полупроводники групп III–V также могут использовать атомы группы IV в качестве доноров или акцепторов. Когда атом IV группы заменяет элемент III группы в решетке полупроводника, атом IV группы выступает донором. И наоборот, когда атом группы IV заменяет элемент группы V, атом группы IV действует как акцептор. Атомы группы IV могут выступать как донорами, так и акцепторами; поэтому они известны как амфотерные примеси.
Полупроводники N-типа создаются путем легирования собственного полупроводника электронодонорным элементом во время производства. Термин n-тип происходит от отрицательного заряда электрона. В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями , а дырки — неосновными . Обычными легирующими добавками для кремния n-типа являются фосфор или мышьяк . В полупроводнике n-типа уровень Ферми больше, чем у собственного полупроводника, и лежит ближе к зоне проводимости , чем к валентной зоне .
Примеры: фосфор , мышьяк , сурьма и т. д.
Полупроводники P-типа создаются путем легирования собственного полупроводника элементом- акцептором электронов во время производства. Термин p-тип относится к положительному заряду дырки. В отличие от полупроводников n-типа , полупроводники p-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов. В полупроводниках p-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны. Обычными легирующими добавками p-типа для кремния являются бор или галлий . Для полупроводников p-типа уровень Ферми находится ниже собственного полупроводника и лежит ближе к валентной зоне, чем к зоне проводимости.
Примеры: бор , алюминий , галлий и т. д.
Внешние полупроводники являются компонентами многих распространенных электрических устройств. Полупроводниковый диод (устройства, пропускающие ток только в одном направлении) состоит из полупроводников p-типа и n-типа, соединенных друг с другом. В настоящее время в большинстве полупроводниковых диодов используются легированные кремний или германий.
Транзисторы (устройства, обеспечивающие переключение тока) также используют внешние полупроводники. Транзисторы с биполярным переходом (BJT), усиливающие ток, представляют собой один тип транзисторов. Наиболее распространенными BJT являются типы NPN и PNP. NPN-транзисторы состоят из двух слоев полупроводников n-типа, между которыми находится полупроводник p-типа. PNP-транзисторы состоят из двух слоев полупроводников p-типа, между которыми находится полупроводник n-типа.
Полевые транзисторы (FET) — это еще один тип транзисторов, которые усиливают ток с помощью внешних полупроводников. В отличие от BJT, они называются униполярными , потому что они работают с одной несущей — либо N-каналом, либо P-каналом. Полевые транзисторы делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходным затвором (JFET), которые представляют собой полупроводники с тремя выводами, и полевые транзисторы с изолированным затвором ( IGFET ), которые представляют собой полупроводники с четырьмя выводами.
Другие устройства, реализующие внешний полупроводник: