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. három vegyértékű bóratomra (B) cserélik. Ennek  eredményeképpen  a  B-atom három vegyértékelektronja beépül a Si tetraéderes kristályrácsába, de csak három teljes kovalens kötést tud létrehozni a négy szomszédos Si-atommal. A B-atomnak a négy Si-atom egyikével alkotott kötése elektronhiányos, amit a negyedik Si-atom biztosít, ugyanis a B-atom csak három vegyértékelektronnal tudott részt venni a szilíciumkristály tetraéderes kovalens kötésrendszerének a kiépítésében. Tehát van egy kötés, amelyben csak egy elektron található és mellette egy elektronhiány van, azaz lyuk. A szennyezett kristályban így megjelenő lyukak száma megegyezik a szennyező atomok számával.

Mivel az elektron mozgásához nincs feltétlenül szükség arra, hogy az elektron elszakadjon az atom kötelékéből, az áramvezetés biztosításához elegendő, ha az elektron az egyik kovalens kötésből átugrik a szomszédos kötés lyukába, így kisebb külső energia felvétel mellett is jobb vezetőképességűvé lehet tenni a B-ral szennyezett kristályt, mint amilyen a tiszta szilíciumkristály. A szennyezett félvezetőkristály elektronjainak gerjesztéshez szükséges energia tehát a szennyezés következtében lecsökken.

Ezt a típusú szennyezett félvezetőt p-típusú (pozitív típusú) szennyezett félvezetőnek, a szennyező atomokat pedig akceptor (befogadó) atomnak nevezzük.

A szilíciumkristály  termikusan gerjesztett sajátelektronjai és ennek következtében létrejövő sajátlyukak mellett a szennyező atom lyukai is részt vesznek az áramvezetésben.

Nse < Nsly + Nply

(Nply a p-szennyező bóratom negyedik, elektronhiányos kötése lyukainak a száma)

A p-szennyezett félvezetőkben a többségi töltéshordozók a lyukak (amíg a kisebbségi töltéshordozók ebben az esetben a szilícium saját gerjesztett elektronjai).

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

A p-szennyezett félvezetőkben a többségi töltéshordozók a lyukak (amíg a kisebbségi töltéshordozók ebben az esetben a szilícium saját gerjesztett elektronjai).

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

A p-szennyezett félvezetőben a vezetés a kovalens kötésből kilépett gerjesztett elektronok után maradt sajátlyukakkal és a szennyező B-atom által “bevitt” lyukakkal, valamint a kovalens kötésből kilépett elektronokkal 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.

A lyukak, mint látszólagos töltéshordozók, valójában mindig mozdulatlanok. Például a balra ugró elektron helyén marad egy lyuk, az elektron új helyétől jobbra. Ezért tekintjük a lyukakat az elektronokkal ellentétes irányba mozgó töltéshordozóknak. 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 három vegyértékű bóratomra cserélik a szilíciumatomok egy részét, megnő a lyukak száma a kristályban.

3. A lyukakba átugráló elektronok kisebb energia hatására is nagyobb szabadsággal mozoghatnak, mint a szilíciumkristályban, így lényegesen javul a kristály elektromos vezetőképessége.

4. A szabadon mozgó elektronok és a 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