Conductia extrinseca

Conductia extrinseca

Procesul de dopare consta in introducerea in materialul semiconductor intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferiti fata de cei din Si sau Ge, denumiti si atomi de impuritate, in scopul modificarii proprietatilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate se numeste material semiconductor extrinsec. Conditia necesara ca un material semiconductor sa fie extrinsec este ca concentratia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notata N_impuritati sa fie mult mai mare decat concentratia intrinseca n_i:

(2)

Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode.

Atomii de impuritate cu care se dopeaza materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent utilizati sunt cei prezentati in fig.8.

In functie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se impart in doua categorii:

- materiale semiconductoare de tip n

- materiale semiconductoare de tip p

In concluzie, semiconductorii extrinseci au banda interzisa prin care trece nivelul w_F E_i relativ larga, astfel incat conductia electrica este posibila numai prin crearea unor niveluri permise aditionale ce rezulta prin doparea cu atomi straini de tip donor E_d, semiconductor de tip n, ca in fig.9a sau acceptor E_a, semiconductor de tip p, ca in fig.9b; in prezent, in tehnica se utilizeaza numai semiconductori extrinseci.

Fig.8. Atomii de impuritate cu care se dopeaza materialele semiconductoare

Fig.9. Niveluri permise aditionale de tip donor E_d (a) sau acceptor E_a (b)

Materiale semiconductoare de tip n

Pentru obtinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate pentavalenti, (din grupa a V-a a tabelului periodic al elementelor chimice), care, in structura cristalina a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valenta a atomului de impuritate formeaza 4 legaturi covalente cu electronii de valenta ai atomilor de siliciu sau germaniu invecinati, in timp ce al 5-lea electron de valenta al atomului de impuritate este slab legat, astfel ca la temperatura camerei primeste suficienta energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de conductie, capabil sa participe la fenomenele de conductie, asa cum este prezentat si in fig.10.

Fig.10. Crearea unui electron de conductie

Elementele pentavalente formeaza niveluri donoare apropiate de banda de conductie ca in fig.11, pentru ca tranzitia sa se efectueze si la temperatura ambianta; conductia electrica se realizeaza in acest caz prin intermediul electronilor ajunsi in banda de conductie, iar semiconductorii respectivi sunt numiti semiconductori de tip "n"; impurificarea germaniului si siliciului pentru obtinerea semiconductorilor de tip n se face cu fosfor, arseniu sau stibiu.

Pentru aceste elemente se prezinta in continuare pozitiile nivelelor donoare in banda interzisa Fermi: . Astfel, in germaniu este de: 0,012 eV pentru P, 0,0127 eV pentru As si 0,0096 eV pentru St. Iar in siliciu este de: 0,044 eV pentru P, 0,049 eV pentru As si 0,039 eV pentru St.

Fig.11. Dopare cu elemente donoare; nivelul aditional donor W_d

Se constata ca formarea electronului de conductie nu este insotita de generarea unui gol.

Electronii de conductie obtinuti in acest mod sunt generati prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe langa acest procedeu de obtinere a electronilor de conductie, acestia mai pot fi generati si prin mecanismul de generare termica (prin cresterea temperaturii), dar, in acest caz, generarea unui electron de conductie este insotita de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constata ca, in cazul materialului semiconductor de tip n, concentratia de electroni de conductie este mult mai mare decat cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conductie se numesc purtatori de sarcina majoritari, iar golurile se numesc purtatori de sarcina minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedeaza acest al 5-lea electron de valenta, el se numeste atom donor. In urma cedarii celui de al 5-lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reaminteste ca un atom este neutru din punct de vedere electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv, iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ).

Materiale semiconductoare de tip p

Pentru obtinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu atomi trivalenti, (din grupa a III-a a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul, indiul, care, in structura cristalina a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenta ai sai, la formarea numai a trei legaturi covalente cu electronii de valenta ai atomilor de siliciu sau germaniu invecinati, lasand electronul de valenta al celui de-al 4-lea atom de siliciu invecinat fara legatura covalenta, astfel se creaza un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valenta al celui de-al 4-lea atom de siliciu invecinat, fig.12 (atomul de siliciu din dreapta), poate forma o legatura covalenta cu un alt electron de valenta al unui alt atom de siliciu invecinat, care, prin completarea acestei legaturi covalente, lasa la randul sau, in urma sa un gol.

Fig.12. Crearea unui gol, purtator fictiv de sarcina electrica pozitiva

Elementele trivalente utilizate ca impuritati formeaza niveluri acceptoare situate imediat deasupra benzii de valenta ca in fig.13, astfel ca tranzitiile se efectueaza si la temperatura ambianta; deoarece conductia se realizeaza prin golurile din banda de valenta, semiconductorii dopati cu elemente acceptoare sunt numiti semiconductori de tip "p"; impurificarea germaniului si siliciului pentru obtinerea semiconductorilor de tip p se face cu cu bor, aluminiu, galiu, indiu.

Fig.13. Dopare cu elemente acceptoare; nivelul aditional acceptor W_a

Pentru aceste elemente se prezinta in continuare pozitiile nivelelor acceptoare in banda interzisa Fermi: . Astfel, in germaniu este de: 0,0104 eV pentru B, 0,0102 eV pentru Al, 0,0108 eV pentru Ga si 0,0112 eV pentru In. Iar in siliciu este de: 0,045 eV pentru B, 0,057 eV pentru Al, 0,065 eV pentru Ga si 0,16 eV pentru In.

Se constata ca formarea unui gol nu este insotita de generarea unui electron de conductie.

Golurile obtinute in acest mod sunt generate prin impurificarea materialului cu atomii de impuritate. Pe langa acest procedeu de obtinere a golurilor, acestea mai pot fi generate si mecanismul prin generare termica (prin cresterea temperaturii), dar, in acest caz, generarea unui gol nu este insotita de generarea unui electron de conductie.

Din cele prezentate mai sus, se constata ca, in cazul materialului semiconductor de tip p, concentratia de goluri este mult mai mare decat cea a electronilor de conductie. Din acest motiv, golurile se numesc purtatori de sarcina majoritari, iar electronii de conductie se numesc purtatori de sarcina minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primeste un electron de valenta de la un atom de siliciu invecinat, el se numeste atom acceptor. In urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Prin doparea unei zone dintr-un cristal semiconductor cu impuritati acceptoare si o alta zona separata de prima printr-o suprafata plana dopata cu impuritati donoare, se obtine jonctiunea "p-n", care sta la baza constructiei dispozitivelor electronice.