Примесный полупроводник — это тот, который был легирован ; во время изготовления полупроводникового кристалла в кристалл химически вводят микроэлемент или химическое вещество, называемое легирующим агентом , с целью придания ему электрических свойств, отличных от свойств чистого полупроводникового кристалла, который называется собственным полупроводником . В примесном полупроводнике именно эти инородные атомы легирующей примеси в кристаллической решетке в основном обеспечивают носители заряда , которые переносят электрический ток через кристалл. Используемые легирующие агенты бывают двух типов, что приводит к двум типам примесного полупроводника. Электронодонорная легирующая примесь — это атом, который при включении в кристалл высвобождает подвижный электрон проводимости в кристаллическую решетку. Примесный полупроводник, легированный атомами доноров электронов, называется полупроводником n-типа , потому что большинство носителей заряда в кристалле являются отрицательными электронами. Электроноакцепторная легирующая примесь — это атом, который принимает электрон из решетки, создавая вакансию, где электрон следует называть дыркой , которая может перемещаться через кристалл как положительно заряженная частица. Примесный полупроводник, легированный атомами-акцепторами электронов, называется полупроводником p-типа , поскольку большинство носителей заряда в кристалле являются положительными дырками.
Легирование является ключом к необычайно широкому диапазону электрического поведения, которое могут демонстрировать полупроводники, и примесные 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, могут имплантировать различные легирующие элементы в различные области одной и той же полупроводниковой кристаллической пластины, создавая полупроводниковые приборы на поверхности пластины. Например, распространенный тип транзистора, биполярный транзистор npn , состоит из примесного 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 именно атомы металла обеспечивают электроны; обычно каждый атом металла высвобождает один из своих внешних орбитальных электронов, чтобы стать электроном проводимости , который может перемещаться по всему кристаллу и переносить электрический ток. Поэтому число электронов проводимости в металле равно числу атомов, очень большое число, что делает металлы хорошими проводниками.
В отличие от металлов, атомы, из которых состоит объемный кристалл полупроводника, не обеспечивают электроны, которые отвечают за проводимость. В полупроводниках электрическая проводимость обусловлена подвижными носителями заряда , электронами или дырками , которые обеспечиваются примесями или легирующими атомами в кристалле. В примесном полупроводнике концентрация легирующих атомов в кристалле в значительной степени определяет плотность носителей заряда, которая определяет его электропроводность , а также множество других электрических свойств. Это ключ к универсальности полупроводников; их проводимость можно изменять на много порядков путем легирования.
Легирование полупроводников — это процесс, который изменяет собственный полупроводник на примесный. Во время легирования примесные атомы вводятся в собственный полупроводник. Примесные атомы — это атомы другого элемента, нежели атомы собственного полупроводника. Примесные атомы действуют как доноры или акцепторы по отношению к собственному полупроводнику, изменяя концентрацию электронов и дырок в полупроводнике. Примесные атомы классифицируются как донорные или акцепторные атомы в зависимости от того, какое влияние они оказывают на собственный полупроводник.
Атомы примесей-доноров имеют больше валентных электронов, чем атомы, которые они замещают в собственной решетке полупроводника. Примеси-доноры «жертвуют» свои дополнительные валентные электроны в зону проводимости полупроводника, обеспечивая собственный полупроводник избыточными электронами. Избыточные электроны увеличивают концентрацию электронных носителей (n 0 ) полупроводника, делая его n-типом.
Атомы акцепторной примеси имеют меньше валентных электронов, чем атомы, которые они замещают в собственной решетке полупроводника. Они «принимают» электроны из валентной зоны полупроводника. Это обеспечивает избыток дырок в собственном полупроводнике. Избыток дырок увеличивает концентрацию носителей дырок (p 0 ) полупроводника, создавая полупроводник p-типа.
Полупроводники и атомы легирующих примесей определяются столбцом периодической таблицы , в который они попадают. Определение столбца полупроводника определяет, сколько валентных электронов имеют его атомы и действуют ли атомы легирующих примесей как доноры или акцепторы полупроводника.
Полупроводники IV группы используют атомы V группы в качестве доноров, а атомы III группы — в качестве акцепторов.
Полупроводники группы III–V , сложные полупроводники , используют атомы группы VI в качестве доноров и атомы группы II в качестве акцепторов. Полупроводники группы III–V также могут использовать атомы группы IV в качестве доноров или акцепторов. Когда атом группы IV заменяет элемент группы III в решетке полупроводника, атом группы IV действует как донор. И наоборот, когда атом группы IV заменяет элемент группы V, атом группы IV действует как акцептор. Атомы группы IV могут действовать как доноры и акцепторы; поэтому они известны как амфотерные примеси.
Полупроводники n-типа создаются путем легирования собственного полупроводника элементом- донором электронов во время производства. Термин n-тип происходит от отрицательного заряда электрона. В полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями , а дырки — неосновными . Распространенной примесью для кремния n-типа является фосфор или мышьяк . В полупроводнике n-типа уровень Ферми выше, 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 дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Распространенной примесью p-типа для кремния является 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 обычных электрических устройств. Полупроводниковый диод (устройства, которые пропускают ток только в одном направлении) состоит из полупроводников p-типа и n-типа, размещенных в соединении друг с другом. В настоящее время большинство полупроводниковых диодов используют легированный кремний или германий.
Транзисторы (устройства, которые позволяют коммутировать ток) также используют внешние полупроводники. Биполярные транзисторы (БП), которые усиливают ток, являются одним из типов транзисторов. Наиболее распространенными БП являются транзисторы типа NPN и PNP. Транзисторы NPN имеют два слоя полупроводников n-типа, расположенных между ними полупроводник p-типа. Транзисторы PNP имеют два слоя полупроводников p-типа, расположенных между ними полупроводник n-типа.
Полевые транзисторы (FET) — это еще один тип транзисторов, которые усиливают ток, реализуя внешние полупроводники. В отличие от BJT, они называются униполярными , поскольку они используют один тип носителя — либо N-канал, либо P-канал. FET делятся на два семейства: полевые транзисторы с затвором (JFET), которые являются трехконтактными полупроводниками, и полевые транзисторы с изолированным затвором ( IGFET ), которые являются четырехконтактными полупроводниками.
Другие устройства, реализующие внешний полупроводник: