Il doping nei semiconduttori
Il silicio puro o il germanio sono usati raramente come semiconduttori. I semiconduttori praticamente utilizzabili devono avere una quantità controllata di impurità aggiunta a loro. L'aggiunta di impurità cambierà la capacità del conduttore e agisce come un semiconduttore. Viene chiamato il processo di aggiunta di un'impurità a un materiale intrinseco o purodoping e l'impurità è chiamata a dopant. Dopo il drogaggio, un materiale intrinseco diventa un materiale estrinseco. Praticamente solo dopo il doping questi materiali diventano utilizzabili.
Quando un'impurità viene aggiunta al silicio o al germanio senza modificare la struttura cristallina, viene prodotto un materiale di tipo N. In alcuni atomi, gli elettroni hanno cinque elettroni nella loro banda di valenza come l'arsenico (As) e l'antimonio (Sb). Il drogaggio del silicio con entrambe le impurità non deve modificare la struttura cristallina o il processo di legame. L'elettrone extra dell'atomo di impurità non prende parte a un legame covalente. Questi elettroni sono tenuti insieme liberamente dai loro atomi di origine. La figura seguente mostra l'alterazione del cristallo di silicio con l'aggiunta di un atomo di impurità.
Effetto del doping sul materiale di tipo N.
L'effetto del drogaggio su un materiale di tipo N è il seguente:
Dopo l'aggiunta di arsenico al silicio puro, il cristallo diventa un materiale di tipo N.
L'atomo di arsenico ha elettroni aggiuntivi o cariche negative che non prendono parte al processo di legame covalente.
Queste impurità cedono o donano, un elettrone al cristallo e sono indicate come impurità donatrici.
Un materiale di tipo N ha elettroni extra o liberi rispetto a un materiale intrinseco.
Un materiale di tipo N non è caricato negativamente. In realtà tutti i suoi atomi sono tutti elettricamente neutri.
Questi elettroni extra non prendono parte al processo di legame covalente. Sono liberi di muoversi attraverso la struttura cristallina.
Un cristallo di silicio estrinseco di tipo N entrerà in conduzione con solo 0,005eV di energia applicata.
È necessario solo 0,7eV per spostare gli elettroni del cristallo intrinseco dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Normalmente, gli elettroni sono considerati i portatori di corrente di maggioranza in questo tipo di cristallo e le lacune sono i portatori di corrente di minoranza. La quantità di materiale donatore aggiunto a Silicon rileva il numero di portatori attuali di maggioranza nella sua struttura.
Il numero di elettroni in un silicio di tipo N è molte volte maggiore delle coppie elettrone-lacuna del silicio intrinseco. A temperatura ambiente, c'è una netta differenza nella conduttività elettrica di questo materiale. Ci sono abbondanti portatori di corrente per prendere parte al flusso di corrente. Il flusso di corrente è ottenuto principalmente dagli elettroni in questo tipo di materiale. Pertanto, un materiale estrinseco diventa un buon conduttore elettrico.
Effetto del doping sul materiale di tipo P.
L'effetto del drogaggio su un materiale di tipo P è il seguente:
Quando si aggiunge indio (In) o gallio (Ga) al silicio puro, si forma un materiale di tipo P.
Questo tipo di materiale drogante ha tre elettroni di valenza. Stanno cercando con impazienza un quarto elettrone.
Nel materiale di tipo P, ogni foro può essere riempito con un elettrone. Per riempire quest'area del buco, è richiesta molta meno energia dagli elettroni dei vicini gruppi legati covalenti.
Il silicio è tipicamente drogato con materiale drogante nell'intervallo da 1 a 106. Ciò significa che il materiale P avrà molti più buchi rispetto alle coppie elettrone-lacuna di silicio puro.
A temperatura ambiente, c'è una differenza caratteristica molto determinata nella conduttività elettrica di questo materiale.
La figura seguente mostra come la struttura cristallina del silicio viene alterata quando drogata con un elemento accettore, in questo caso, l'indio. Un pezzo di materiale P non è caricato positivamente. I suoi atomi sono principalmente tutti elettricamente neutri.
Ci sono, tuttavia, buchi nella struttura covalente di molti gruppi di atomi. Quando un elettrone si muove e riempie un buco, il buco diventa vuoto. Viene creato un nuovo buco nel gruppo legato dove l'elettrone è uscito. Il movimento dei buchi in effetti è il risultato del movimento degli elettroni. Un materiale di tipo P entrerà in conduzione con solo 0,05 eV di energia applicata.
La figura sopra mostra come risponderà un cristallo di tipo P quando è collegato a una sorgente di tensione. Nota che ci sono un numero maggiore di buchi rispetto agli elettroni. Con la tensione applicata, gli elettroni sono attratti dal terminale positivo della batteria.
I fori si spostano, in un certo senso, verso il terminale negativo della batteria. A questo punto viene rilevato un elettrone. L'elettrone riempie immediatamente un buco. Il buco diventa quindi vuoto. Allo stesso tempo, un elettrone viene estratto dal materiale dal terminale positivo della batteria. I fori quindi si spostano verso il terminale negativo a causa dello spostamento degli elettroni tra diversi gruppi legati. Con l'energia applicata, il flusso del foro è continuo.