Verschil tussen p-type en n-type halfgeleider

Grootste verschil - p-type vs. n-type halfgeleider

p-type en n-type halfgeleiders zijn absoluut cruciaal voor de bouw van moderne elektronica. Ze zijn erg handig omdat hun geleidbaarheid gemakkelijk kan worden gecontroleerd. Diodes en transistoren, die centraal staan ​​in allerlei moderne elektronica, vereisen p-type en n-type halfgeleiders voor hun constructie. De grootste verschil tussen p-type en n-type halfgeleider is dat p-type halfgeleiders worden gemaakt door onzuiverheden van Groep III-elementen toe te voegen tot intrinsieke halfgeleiders, terwijl n-type halfgeleiders, de onzuiverheden zijn Groep-IV-elementen.

Wat is een halfgeleider

EEN halfgeleider is een materiaal met een geleiding tussen dat van een geleider en een isolator. In de bandentheorie van vaste stoffen, energieniveaus worden weergegeven in termen van banden. Volgens deze theorie moeten elektronen van de valentieband voor een materiaal om te geleiden in staat zijn om omhoog te gaan naar de geleidingsband (merk op dat "omhoog bewegen" hier niet een elektron betekent fysiek omhoog bewegen, maar eerder een elektron dat een hoeveelheid energie wint die geassocieerd is met de energieën van de geleidingsband). Volgens de theorie hebben metalen (die geleiders zijn) een bandstructuur waarbij de valentieband overlapt met de geleidingsband. Als gevolg hiervan kunnen metalen gemakkelijk elektriciteit geleiden. In isolatoren, de band gap tussen de valentieband en de geleidingsband is vrij groot, zodat het uiterst moeilijk is voor elektronen om in de geleidingsband te komen. Daarentegen hebben halfgeleiders een kleine opening tussen de valentie- en geleidingsbanden. Door bijvoorbeeld de temperatuur te verhogen, is het mogelijk om elektronen voldoende energie te geven zodat ze van de valentieband naar de geleidingsband kunnen bewegen. Vervolgens kunnen de elektronen in de geleidingsband bewegen en kan de halfgeleider elektriciteit geleiden.

Hoe metalen (geleiders), halfgeleiders en isolatoren worden bekeken onder de bandentheorie van vaste stoffen.

Intrinsieke halfgeleiders zijn elementen met vier valentie-elektronen per atoom, d.w.z. elementen die voorkomen in "Groep-IV" van het periodiek systeem zoals silicium (Si) en germanium (Ge). Omdat elk atoom vier valentie-elektronen heeft, kan elk van deze valentie-elektronen een covalente binding vormen met een van de valentie-elektronen in een naburig atoom. Op deze manier zouden alle valentie-elektronen bij een covalente binding betrokken zijn. Strikt genomen is dit niet het geval: afhankelijk van de temperatuur kunnen een aantal elektronen hun covalente bindingen "breken" en deelnemen aan geleiding. Het is echter mogelijk om het geleidend vermogen van een halfgeleider sterk te vergroten door kleine hoeveelheden van een onzuiverheid toe te voegen aan de halfgeleider, in een proces genaamd doping. De onzuiverheid die aan de intrinsieke halfgeleider wordt toegevoegd, wordt de dotering. Een gedoteerde halfgeleider wordt aangeduid als een extrinsieke halfgeleider.

Wat is een n-type halfgeleider

Een n-type halfgeleider wordt gemaakt door een kleine hoeveelheid van een Groep-V-element zoals fosfor (P) of arseen (As) aan de intrinsieke halfgeleider toe te voegen. Groep-V-elementen hebben vijf valentie-elektronen per atoom. Daarom, wanneer deze atomen verbindingen maken met de Groep-IV-atomen, kunnen vanwege de atomaire structuur van het materiaal slechts vier van de vijf valentie-elektronen bij covalente bindingen worden betrokken. Dit betekent dat er per elk doteringsatoom een ​​extra "vrij" elektron is dat vervolgens in de geleidingsband kan gaan en beginnen met het geleiden van elektriciteit. Daarom zijn de doteringsatomen in n-type halfgeleiders worden genoemd donoren omdat ze elektronen "doneren" aan de geleidingsband. In termen van de bandentheorie kunnen we ons de vrije elektronen van donoren voorstellen die een energieniveau hebben dat dicht bij de energieën van de geleidingsband ligt. Omdat de energiespleet klein is, kunnen de elektronen gemakkelijk in de geleidingsband springen en beginnen met het geleiden van een stroom.

Wat is een p-type halfgeleider

EEN p-type halfgeleider is gemaakt door een intrinsieke halfgeleider te doteren met Groep-III elementen zoals boor (B) of aluminium (Al). In deze elementen zijn er slechts drie valentie-elektronen per atoom. Wanneer deze atomen worden toegevoegd aan een intrinsieke halfgeleider, kan elk van de drie elektronen covalente bindingen vormen met valentie-elektronen uit drie van de omringende atomen van de intrinsieke halfgeleider. Vanwege de kristallijne structuur kan het doteerstofatoom echter een andere covalente binding maken als het nog een elektron bevat. Met andere woorden, er is nu een "vacature" voor een elektron, en vaak wordt zo'n "vacature" een a genoemd gat. Het doteerstofatoom kan nu een elektron uit een van de omringende atomen nemen en dat gebruiken om een ​​binding te vormen. In p-type halfgeleiders worden de doteerstofatomen genoemd acceptoren omdat ze elektronen voor zichzelf nemen. 

Welnu, het atoom waar een elektron uit gestolen is, heeft ook nog een gat. Dit atoom kan nu een elektron stelen van een van zijn buren, dat op zijn beurt een elektron kan stelen van een van haar buren ... enzovoort. Op deze manier kunnen we ons eigenlijk voorstellen dat een "positief geladen gat" door de valentieband van een materiaal kan reizen, op dezelfde manier als een elektron door de geleidingsband kan reizen. De "beweging van gaten" in de geleidingsband kan als een stroom worden beschouwd. Merk op dat de beweging van gaten in de valentieband in de tegenovergestelde richting is ten opzichte van de beweging van elektronen in de geleidingsband voor een gegeven potentiaalverschil. In p-type halfgeleiders, de gaten zijn naar verluidt de meerderheid carriers terwijl de elektronen in de geleidingsband de zijn minderheidsdragers.

In termen van bandtheorie ligt de energie van de aanvaarde elektronen ("het acceptorniveau") iets hoger boven de energie van de valentieband. Elektronen uit de valentieband kunnen dit niveau gemakkelijk bereiken, waardoor gaten achterblijven in de valentieband. Het onderstaande diagram illustreert de energiebanden in intrinsiek, n-type en p-type halfgeleiders.

Energiebanden in intrinsiek, n-type en p-type halfgeleiders.

Verschil tussen p-type en n-type halfgeleider

Dopants

In p-type halfgeleider, de doteermiddelen zijn Groep III-elementen.

In n-type halfgeleider, de doteermiddelen zijn Groep-IV-elementen.

Dopant-gedrag:

In p-type halfgeleider, de doteringsatomen zijn acceptoren: ze nemen elektronen en maken gaten in de valentieband.

In n-type halfgeleider, de doteerstofatomen fungeren als donoren: ze doneren elektronen die de geleidingsband gemakkelijk kunnen bereiken.

Meerderheidsdragers

In p-type halfgeleider, de meeste dragers zijn gaten die in de valentieband bewegen.

In n-type halfgeleider, de belangrijkste dragers zijn elektronen die in de geleidingsband bewegen.

Majority Carriers Movement

In p-type halfgeleider, de meeste dragers bewegen in de richting van conventionele stroom (van hoger naar lager potentieel).

In n-type halfgeleider, de meerderheidsdragers bewegen tegen de richting van conventionele stroom in.

Afbeelding met dank aan:

"Vergelijking van de elektronische bandstructuren van metalen, halfgeleiders en isolatoren." Door Pieter Kuiper (selfmade) [Public Domain], via Wikimedia Commons