Elektronen, gaten en doping in halfgeleiders begrijpen

Elektronenstructuur

Zuivere halfgeleiders vertonen een veel hogere weerstand dan metalen, maar zijn verre minder isolerend dan materialen zoals glas. Voor een intrinsieke (onge-dopte) halfgeleider om effectief te functioneren, moet de zuiverheid ten minste één defect per 10 miljard atomen bereiken—equivalent aan een enkel korreltje zout in een vrachtwagon vol suiker. Het introduceren van opzettelijke onzuiverheden—doping—verhoogt de geleiding aanzienlijk, hoewel deze nog steeds onder metallische niveaus blijft. Om te begrijpen waarom, moeten we de elektronenstructuur van het materiaal bestuderen (zie figuur).

Elektronenstructuur

Figuur (a) toont vier valentie-elektronen in een halfgeleideratoom die covalente bindingen vormen met vier buren. Alle elektronen zijn vast in deze bindingen, wat geen vrije laddragers achterlaat; daardoor gedraagt een intrinsieke halfgeleider zich als een redelijk goede isolator vergeleken met metalen.

(a) Een intrinsieke halfgeleider is een isolator met een gevulde valentieschil. (b) Thermische excitatie kan enkele elektronen-gaat paren bevrijden, wat zwakke geleiding oplevert.

Thermische energie bevrijdt'occasioneel een electron uit het kristalrooster, geïllustreerd in figuur (b). Het bevrijde electron kan vrij door het rooster bewegen, terwijl de vacature die het achterlaat een positieve lading draagt—een gat. Zowel elektronen als gaten dragen bij aan stroomtransport; het electron herkombineert uiteindelijk met een gat wanneer het terugvalt in het rooster. Wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast, druipen elektronen en gaten in tegengestelde richtingen. Stijgende temperatuur creëert meer laddragers, waardoor de weerstand daalt—een gedrag dat tegenovergesteld is aan dat van metalen, waar de weerstand stijgt met temperatuur door verhoogde verstrooiing. In een intrinsieke halfgeleider zijn de aantallen elektronen en gaten gelijk, maar hun mobiliteiten verschillen.

Halfgeleider onzuiverheden

Zuivere halfgeleiders zijn zelden direct bruikbaar; ze moeten eerst worden verfijnd tot een zeer hoge graad van zuiverheid. Een materiaal dat 1 op de 10 miljard zuiver is, kan vervolgens worden gedopt met onzuiverheden van ongeveer 1 op de 10 miljoen om de laddrachtdichtheid te verhogen. Deze opzettelijke toevoeging van vreemde atomen—doping genoemd—transformatieert het kristal in een geleider die metalen kan evenaren.

Het toevoegen van een elektrondonator (N-type dopant) zoals fosfor verhoogt het aantal negatieve laddragers. Donatoren behoren tot groep VA (stikstof, fosfor, arseen, antimoon). Fosfor heeft bijvoorbeeld vijf valentie-elektronen; het bindt met vier siliciumatomen en behoudt één zwak gebonden electron dat vrij wordt om te bewegen. Met een dopingsconcentratie van 1 ppm (1 op de 10 miljoen) overstijgt de resulterende elektrondichtheid die van intrinsiek silicium bij lange na, wat sterke geleiding in het geleidingsband mogelijk maakt.

(a) Buitenschilconfiguraties van donor N-type fosfor, silicium en acceptor P-type boor. (b) N-type donor onzuiverheid creëert een vrij electron. (c) P-type acceptor onzuiverheid creëert een gat, een positieve laddrager.

Omgekeerd creëert het introduceren van een elektronenacceptor (P-type dopant) met slechts drie valentie-elektronen—zoals boor—een vacature, of gat, in het rooster. Boor probeert vier covalente bindingen te vormen, maar kan slechts drie elektronen leveren, wat een lege plaats achterlaat die fungeert als mobiele positieve laddrager in het valentieband. P-type elementen stammen uit groep IIIA (boor, aluminium, gallium, indium); boor is de standaard dopant voor silicium en diamant, terwijl indium wordt gebruikt voor germanium.

De "knikker-in-een-buizel" analogie illustreert hoe gaten bewegen: een electron dat van links naar rechts beweegt, laat een plek vrij die lijkt naar rechts te bewegen. Elektronen in een N-type materiaal druipen naar rechts onder een elektrisch veld, terwijl gaten in een P-type materiaal naar rechts druipen, wat overeenkomt met elektronen die naar links bewegen.

Knikker-in-een-buizel analogie: (a) Elektronen stromen rechts in het geleidingsband. (b) Gaten stromen rechts in het valentieband.

In een N-type halfgeleider zijn de meerderheidsladragers vrije elektronen. Wanneer een spanning wordt toegepast, treden elektronen de negatieve kant in, doorlopen het rooster en verlaten de positieve kant, vormend een stroom analoog aan een metalen draad.

(a) N-type halfgeleider: elektronen bewegen links naar rechts. (b) P-type halfgeleider: gaten bewegen links naar rechts, equivalent aan elektronen die rechts naar links bewegen.

In een P-type staaf zijn gaten de meerderheidsladragers. Een omgekeerde batterijpolariteit zorgt ervoor dat elektronen de linkerkant verlaten naar de positieve pool, wat een gat creëert dat rechtswaarts beweegt. Aan de negatieve kant herkombineert een batterij-electron met een gat, waardoor een ander gat van links kan binnenkomen. De schijnbare gatbeweging wordt dus gedreven door elektronen die tegenovergesteld aan het toegepaste veld bewegen.

Elementen gebruikt voor halfgeleiderproductie

De onderstaande figuur vat de primaire halfgeleidermaterialen en hun gangbare dopanten samen:

Groep IIIA P-type dopanten, groep IVA basis halfgeleiders, en groep VA N-type dopanten.

Silicium blijft het werkpaard van de industrie, goed voor ongeveer 90% van de commerciële productie. Germanium is grotendeels verouderd, terwijl diamant een opkomend onderzoeksplatform is. Samengestelde halfgeleiders zoals siliciumcarbide (groep IVA) en galliumarsenide (groep III-V) worden breed toegepast in Leistungselectronica en opto-elektronica. De tabel vermeldt ook III-VI verbindingen (AlN, GaN, InN, etc.) en andere II-VI materialen.

• Intrinsieke halfgeleider zuiverheid: 1 op de 10 miljard → slechte geleider.
• N-type doping: pentavalente onzuiverheid → vrije elektronen domineren → hoge geleiding.
• P-type doping: trivalente onzuiverheid → overmaat gaten domineren → hoge geleiding.
• Silicium is het prevaalente element; germanium is bijna verouderd; koolstof (diamant) is opkomend.
• Samengestelde halfgeleiders (SiC, GaAs) worden uitgebreid eingesetzt.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad