Skillnad mellan p-typ och n-typ halvledare
Share
Huvudskillnad - p-typ vs. n-typ halvledare
p-typ och n-typ halvledare är avgörande för konstruktionen av modern elektronik. De är mycket användbara eftersom deras ledningsförmåga enkelt kan styras. Dioder och transistorer, som är centrala för all slags modern elektronik, kräver p-typ och n-typ halvledare för deras konstruktion. De huvudskillnad mellan p-typ och n-typ halvledare är det p-typ halvledare tillverkas genom att lägga urenheter av grupp III-element till inneboende halvledare medan, i n-typ halvledare, föroreningarna är grupp IV-element.
Vad är en halvledare
en halvledare är ett material som har en ledningsförmåga mellan en ledare och en isolator. I bandteori av fasta ämnen, energinivåer representeras i termer av band. Enligt denna teori bör elektroner från valensbandet kunna förflytta sig till ledningsbandet för ett material att leda (notera att "rör sig upp" här inte betyder en elektron fysiskt flytta upp, men snarare en elektron som får en mängd energi som är förknippad med ledningens energier). Enligt teorin har metaller (vilka är ledare) en bandstruktur där valensbandet överlappar med ledningsbandet. Som ett resultat kan metaller enkelt leda elektricitet. I isolatorer, den bandgap mellan valensbandet och ledningsbandet är ganska stort så att det är extremt svårt för elektroner att komma in i ledningsbandet. Däremot har halvledarna ett litet mellanrum mellan valens och ledningsband. Genom att öka temperaturen är det till exempel möjligt att ge elektroner tillräckligt med energi som gör att de kan flytta från valensbandet upp till ledningsbandet. Därefter kan elektronerna röra sig i ledningsbandet och halvledaren kan leda elektricitet.
Hur metaller (ledare), halvledare och isolatorer ses under bandteorin för fasta ämnen.
Intrinsic halvledare är element med fyra valenselektroner per atom, dvs element som uppträder i "Grupp-IV" i det periodiska systemet, såsom kisel (Si) och germanium (Ge). Eftersom varje atom har fyra valenselektroner, kan var och en av dessa valenselektroner bilda en kovalent bindning med en av valenselektronerna i en angränsande atom. På detta sätt skulle alla valenselektronerna vara involverade i en kovalent bindning. Strängt taget är detta inte fallet: beroende på temperaturen kan ett antal elektroner "bryta" sina kovalenta bindningar och delta i ledning. Det är emellertid möjligt att kraftigt öka den ledande förmågan hos en halvledare genom att addera små mängder av orenhet till halvledaren, i en process som kallas doping. Den föroreningar som läggs till den inneboende halvledaren kallas dopämne. En dopad halvledare kallas en extrinsisk halvledare.
Vad är en n-typ halvledare
En n-typ halvledare tillverkas genom att tillsätta en liten mängd av ett grupp-V-element såsom fosfor (P) eller arsenik (As) till den inneboende halvledaren. Grupp-V-elementen har fem valenselektroner per atom. Därför kan, när dessa atomer gör bindningar med grupp IV-atomema, på grund av materialets atomstruktur endast fyra av de fem valenselektronerna kan vara involverade i kovalenta bindningar. Det betyder att per dopantatom finns en extra "fri" elektron som sedan kan gå in i ledningsbandet och börja leda elektricitet. Därför är dopantatomen i n-typ halvledare kallas donatorer eftersom de "donerar" elektroner till ledningsbandet. När det gäller bandteorin kan vi föreställa oss de fria elektronerna från givare som har en energinivå nära energierna i ledningsbandet. Eftersom energiklyftan är liten kan elektronerna enkelt hoppa in i ledningsbandet och börja strömma.
Vad är en p-typ halvledare
en p-typ halvledare tillverkas genom dopning en egenhalvledare med grupp III-element som bor (B) eller aluminium (Al). I dessa element finns det bara tre valenselektroner per atom. När dessa atomer läggs till en inneboende halvledare kan var och en av de tre elektronerna bilda kovalenta bindningar med valenselektroner från tre av de omgivande atomer av den inneboende halvledaren. På grund av den kristallina strukturen kan dock dopantomen göra en annan kovalent bindning om den hade en mer elektron. Med andra ord finns det nu en "ledig" för en elektron, och ofta kallas en sådan "ledig tjänst" en hål. Dopantatomen kan nu ta en elektron ur en av de omgivande atomer och använda den för att bilda ett bindemedel. I p-typ halvledare kallas dopantatomer acceptorer eftersom de tar elektroner för sig själva.
Nu var den atom som hade en elektron stulen från den kvar med ett hål också. Denna atom kan nu stjäla en elektron från en av sina grannar, som i sin tur kan stjäla en elektron från en av dess grannar ... och så vidare. På det sättet kan vi faktiskt föreställa oss att ett "positivt laddat hål" kan resa genom valensbandet av ett material, på ungefär samma sätt som en elektron kan röra sig genom ledningsbandet. Hålens rörelse i ledningsbandet kan betraktas som en ström. Observera att rörelsen av hål i valensbandet är i motsatt riktning mot rörelsen av elektroner i ledningsbandet för en given potentialskillnad. I p-typ halvledare, hålen sägs vara majoritet bärare medan elektronerna i ledningsbandet är minoritetsbärare.
När det gäller bandteori ligger energin hos de accepterade elektronerna ("acceptornivå") lite högre över valensbandets energi. Elektroner från valensbandet kan lätt nå denna nivå och lämnar hål bakom valensbandet. Diagrammet nedan illustrerar energibandarna i det egna, n-typ och p-typ halvledare.
Energiband i inneboende, n-typ och p-typ halvledare.
Skillnad mellan p-typ och n-typ halvledare
dopämnen
I p-typ halvledare, dopmedlen är grupp III-element.
I n-typ halvledare, dopmedlen är grupp IV-element.
Dopantbeteende:
I p-typ halvledare, dopantatomerna är acceptorer: De tar elektroner och skapar hål i valensbandet.
I n-typ halvledare, dopantatomen fungerar som donatorer: de donerar elektroner som lätt kan nå ledningsbandet.
Majoritetsbärare
I p-typ halvledare, Flertalet bärare är hål som rör sig i valensbandet.
I n-typ halvledare, de flesta bärare är elektroner som rör sig i ledningsbandet.
Flertalet bärare rörelse
I p-typ halvledare, de flesta bärare flyttar i riktning mot konventionell ström (från högre till lägre potential).
I n-typ halvledare, Flertalet bärare rör sig mot riktningen av konventionell ström.
Image Courtesy:
"Jämförelse av elektroniska bandstrukturer av metaller, halvledare och isolatorer." Av Pieter Kuiper (självbyggd) [Public Domain], via Wikimedia Commons
