A tiszta szilícium félvezetőben az elektronok gerjesztéséhez, vagyis hogy az elektronok “kiugrálhassanak” a kovalens kötésből 1,1 eV[1] energiára van szükségük. Ezért a szilíciumkristály szobahőmérsékleten nagyon rosszul vezeti az elektromos áramot.

A szilíciumkristály elektromos áram-vezetőképességének növelése érdekében növelni kell a szabad töltéshordozók mennyiségét. Ezt legegyszerűbben a félvezető kristály szennyezésével érik el, úgy, hogy a kristály négy vegyértékű Si-atomjainak egy részét[2] pl. öt vegyértékű foszforatommal (P) cserélik ki.
Ennek eredményeképpen a P-atom négy vegyértékelektronja, beépülve a tetraéderes kristályrácsba, összesen négy kovalens kötést alkot négy szomszédos Si-atommal. A P-atom ötödik vegyértékelektronja kötés nélküli állapotban tartózkodik a P-atom kötelékében. Azonban ezt az ötödik elektront rendkívül könnyű kiszakítani a foszforatom vonzásából, tehát kisebb külső energia hatására a P-atom ötödik elektronja szabad töltéshordozóként viselkedik. Így kicsi energia befektetés hatására jobb vezetőképességűvé lehet tenni a P-ral szennyezett kristályt, mint amilyen a tiszta szilíciumkristály volt.

Ezt a típusú szennyezett félvezetőt n-típusú (negatív típusú) szennyezett (extrinszik) félvezetőnek, a szennyező atomot pedig donor (adományozó) atomnak nevezzük.

A szilíciumkristály saját termikusan gerjesztett sajátelektronjai és ennek következtében létrejövő sajátlyukak mellett további elektronok is részt vesznek az áramvezetésben: az n-szennyező P-atom ötödik, vezetésben résztvevő elektronjai.

Nse + Nne > Nsly

 

(Nne az n-szennyező foszforatomok ötödik elektronjainak a száma)

A többségi töltéshordozó az elektronok (amíg a kisebbségi töltéshordozók ebben az esetben a saját gerjesztett elektronok helyén a kovalens kötésben visszamaradt lyukak).

Felhívjuk a figyelmet arra, hogy ebben a szennyezett kristályban sincs többlettöltés. Az elektrontöbblet a kovalens kötés kialakításának szükségességéhez mérten több (azonban a kristály egészében az atommagokban található protonok száma egyenlő az elektronok számával).

A félvezetőben a vezetés a kovalens kötéshez tartozó sajátlyukakkal és a sajátelektronokkal, illetve a szennyező atomok 5. vegyértékelektronjaival valósul meg. Természetesen minden esetben az elektronok mozgásának köszönhető az elektromos áramvezetés.

Amíg a félvezető kristályt csak hőhatás, megvilágítás éri, addig az elektronok tényleges és a lyukak látszólagos mozgása a kristályban kaotikus.

Az elektromos áramvezetéshez arra van szükség, hogy a félvezető kristályt külső feszültségre kapcsoljuk. Azonban, amíg az elektromos áramvezetésben részt vevő elektronok delokalizáltan mozognak a kristályban, addig a kovalens kötésben lévő lyukak a szomszédos kötésből történő elektron-átugrálás következményeként végzik látszólagos mozgásukat. A kovalens kötésben az elektronok egyik kötött állapotból a másik kötött állapotba ugrálnak, végül a mozgásuk következtében úgy néz ki, mintha ebben az esetben az elektronokkal szemben mozogva a lyukak is valós töltéshordozóként vennének részt az áramvezetést. Külső elektromos mező hatására az áramvezetésben részt vevő töltéshordozók eredő mozgása egymással ellentétessé és a külső elektromos mező erővonalaival párhuzamossá válik.

A szennyezett félvezető vezetőképessége 2-3 nagyságrenddel is megnőhet.

A lényeg

1. A szilíciumkristály vezetőképességét szennyező atomok segítségével javítják.

2. Ha öt vegyértékű foszforatomra cserélik a szilíciumatomok egy részét, megnő a szabadon mozgó elektronok száma a kristályban.

3. Az 5. vegyértékelektronok kicsi energia hatására is elszakadnak a foszforatomtól, és szabadon mozoghatnak a kristályban. Így lényegesen javul a kristály elektromos vezetőképessége.

4. A szabadon mozgó elektronok és lyukak hőmozgása kaotikus, de külső elektromos mező hatására eredő mozgásuk rendezetté, egymással ellentétessé és a külső elektromos mező erővonalaival párhuzamossá válik.

5. Az áramvezetésben résztvevő elektronok és lyukak együttesen hozzák létre az áramvezetést.

[1] 1 eV = 1,6 × 10-19 J energia
[2] Egy szennyezőatomra kb. 104-107 db. szilíciumatom jut.
3. LeifiPhysik: Eigenleitung im Siliziumkristall
4. University of Cambridge: Intrinsic and Extrinsic Semiconductors