Nederlands
Menu

N-type versus p-type halfgeleider: dotering, dragers en mobiliteit

Een n-type halfgeleider ontstaat door aan silicium groep V-elementen zoals fosfor of arseen (donoren) toe te voegen, zodat de overtollige elektronen de meerderheidsladingsdragers zijn. Een p-type halfgeleider ontstaat door groep III-elementen zoals boor (acceptoren) toe te voegen, zodat de gaten die door een tekort aan elektronen ontstaan de meerderheidsladingsdragers zijn. Het ferminiveau ligt bij n-type dichter bij de geleidingsband en bij p-type dichter bij de valentieband. In silicium is de mobiliteit van elektronen ongeveer 2 tot 3 keer die van gaten, zodat n-type bij dezelfde doteringsconcentratie een lagere resistiviteit heeft.

KenmerkN-typeP-type
Doteringsatomen (silicium)Groep V: fosfor (P), arseen (As), antimoon (Sb)Groep III: boor (B). Daarnaast onder meer indium
Naam en functie van de doteringDonor. Staat één elektron afAcceptor. Neemt één elektron op en vormt een gat in de valentieband
Lading van het geïoniseerde doteringsatoomPositief. Vast in het rooster en onbeweeglijkNegatief. Vast in het rooster en onbeweeglijk
Doteringsniveau (silicium)Ongeveer 0,045 eV (fosfor) en ongeveer 0,054 eV (arseen) onder de onderkant van de geleidingsbandOngeveer 0,045 eV (boor) boven de bovenkant van de valentieband
Meerderheids-/minderheidsladingsdragersElektronen/gatenGaten/elektronen
Ladingsdragerdichtheid (bij volledige ionisatie)n ≈ ND, p = ni² / NDp ≈ NA, n = ni² / NA
FerminiveauAan de kant van de geleidingsband ten opzichte van het intrinsieke ferminiveau. Hoe hoger de concentratie, hoe dichter bij de geleidingsbandAan de kant van de valentieband ten opzichte van het intrinsieke ferminiveau. Hoe hoger de concentratie, hoe dichter bij de valentieband
Mobiliteit van meerderheidsladingsdragers (laaggedoteerd silicium, indicatief)Elektronen: ongeveer 1400 cm²/V·sGaten: ongeveer 450 cm²/V·s
Resistiviteit bij dezelfde concentratieLaagOngeveer 2 tot 3 keer hoger dan n-type
Gebruik in CMOSSource en drain van nMOS, de n-well waarin pMOS wordt gemaaktSource en drain van pMOS, de p-well waarin nMOS wordt gemaakt. Siliciumwafers voor CMOS zijn meestal p-type

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

N-type
Wanneer elektronen de stroom moeten voeren. Gebruikt voor source en drain van nMOS, emitter en collector van npn-transistors en de n-well waarin pMOS wordt gemaakt.
P-type
Wanneer gaten de stroom moeten voeren. Gebruikt voor source en drain van pMOS, de basis van npn-transistors en de p-well waarin nMOS wordt gemaakt.
Combinatie
Waar n-type en p-type elkaar raken ontstaat een PN-junctie, de basis van diodes, transistors, zonnecellen en leds. In de productie wordt ook het type van een bestaande laag omgekeerd door er een grote hoeveelheid dotering van het tegengestelde type aan toe te voegen (tegendotering).

Veelgestelde vragen

Is een n-type halfgeleider als geheel negatief geladen omdat er veel elektronen zijn?

Nee, als geheel is hij elektrisch neutraal. Wanneer een donor een elektron afstaat, blijft de donor zelf als positief ion in het rooster achter, wat de negatieve lading van het elektron opheft. Bij p-type geldt hetzelfde: de positieve lading van de gaten en de negatieve lading van de geïoniseerde acceptoren zijn in evenwicht.

Zijn er ook gaten in n-type materiaal?

Ja. In thermisch evenwicht is het product van de elektronen- en gatendichtheid gelijk aan het kwadraat van de intrinsieke ladingsdragerdichtheid (n × p = ni²), dus bij een donorconcentratie van 1×10¹⁶ cm⁻³ is de gatendichtheid bij kamertemperatuur ongeveer 1×10⁴ cm⁻³. Het zijn er weinig, maar deze minderheidsladingsdragers spelen een belangrijke rol in de werking van PN-juncties en bipolaire transistors.

Wat gebeurt er als je zowel donoren als acceptoren toevoegt?

Ze heffen elkaar op (compensatie) en het materiaal krijgt het type van de grootste concentratie. De ladingsdragerdichtheid wordt ongeveer bepaald door het verschil in concentratie, maar de mobiliteit daalt door verstrooiing aan beide soorten geïoniseerde doteringsatomen. Bij het maken van source en drain van het tegengestelde type in een well wordt deze eigenschap gebruikt om het type om te keren.

Waarom ligt het ferminiveau bij n-type en p-type anders?

Het ferminiveau is de energie waarbij de kans dat een elektron een toestand bezet 1/2 is, en geeft dus de verdeling van de ladingsdragers weer. Bij n-type, met veel elektronen in de geleidingsband, ligt het aan de kant van de geleidingsband; bij p-type, waar elektronen uit de valentieband ontbreken en er veel gaten zijn, aan de kant van de valentieband. In silicium bij kamertemperatuur schuift het per vertienvoudiging van de doteringsconcentratie ongeveer 60 mV dichter naar de bandrand.

Test uw begrip

Welke uitspraak is juist wanneer fosfor (P) als dopant aan silicium wordt toegevoegd?

  1. AEr ontstaat een p-type halfgeleider met gaten als meerderheidsladingdragers
  2. BEr ontstaat een n-type halfgeleider met elektronen als meerderheidsladingdragers
  3. CHet aantal ladingdragers neemt niet toe en het blijft een intrinsieke halfgeleider
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Er ontstaat een n-type halfgeleider met elektronen als meerderheidsladingdragers

Fosfor behoort tot groep V en heeft 5 valentie-elektronen, zodat bij de covalente bindingen van silicium (groep IV) één elektron overblijft. Dit elektron is slechts zwak gebonden op een ondiep niveau van ca. 0,045 eV, en komt bij kamertemperatuur vrijwel volledig in de geleidingsband terecht als geleidingselektron. Zo’n onzuiverheid heet donor en er ontstaat een n-type halfgeleider. Ook arseen (As) en antimoon (Sb) zijn donoren. Voor p-type wordt een element uit groep III zoals boor (B) toegevoegd (acceptor).

Welke uitspraak is juist wanneer boor (B) als onzuiverheid aan silicium wordt toegevoegd?

  1. AHet is elektrisch inactief en het geleidingstype verandert niet
  2. BHet werkt als donor en maakt een n-type halfgeleider
  3. CHet werkt als acceptor en maakt een p-type halfgeleider
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het werkt als acceptor en maakt een p-type halfgeleider

Boor behoort tot groep III en heeft 3 valentie-elektronen, zodat er één elektron voor de covalente binding ontbreekt en het een elektron uit de omgeving opneemt. Daardoor ontstaat in de valentieband een gat en wordt silicium p-type. Boor is de typische acceptor in silicium, met een ondiep niveau van ca. 0,045 eV boven de valentieband, en wordt bij kamertemperatuur vrijwel geheel geïoniseerd. Omdat het atoom licht is en snel diffundeert, worden voor het vormen van ondiepe juncties implantatie met lage energie of implantatie van BF2 gebruikt.

Wat is de meerderheidsladingdrager in een p-type halfgeleider?

  1. AGeïoniseerde acceptoren
  2. BGaten
  3. CElektronen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Gaten

Bij p-type nemen acceptoren elektronen op uit de valentieband, waardoor het aantal gaten toeneemt: gaten zijn de meerderheidsladingdragers en elektronen de minderheidsladingdragers. Geïoniseerde acceptoren zijn negatieve ladingen die in het rooster vastzitten en zelf niet kunnen bewegen. In de uitputtingslaag vormt deze vaste lading echter de hoofdoorzaak van het elektrisch veld en de ingebouwde potentiaal. Bij een MOSFET worden aan het oppervlak van een p-type substraat minderheidselektronen verzameld (inversie) om een n-kanaal te vormen.

  1. Welke uitspraak over de ligging van het Fermi-niveau in een n-type halfgeleider is juist?
  2. Waar ligt het donorniveau van fosfor in silicium binnen de bandkloof?
  3. Welke combinatie van in silicium geïmplanteerde dopeerstof en geleidingstype is juist?

Oefenvragen over Halfgeleiderfysica

Belangrijke termen uitgelegd

Donor
Doteerstof die elektronen aan een halfgeleider levert. In silicium zijn dit elementen uit groep V, zoals fosfor (P) of arseen (As), die een n-type halfgeleider vormen.
Acceptor
Onzuiverheid die elektronen uit een halfgeleider opneemt en zo gaten (holes) doet ontstaan. In silicium zijn dat elementen uit groep III zoals boor (B), waarmee een p-type halfgeleider wordt gemaakt.
Fermi-niveau
Energie waarbij de kans dat een elektron dat niveau bezet precies 1/2 is. Ligt bij n-type dichter bij de geleidingsband en bij p-type dichter bij de valentieband.
Mobiliteit
Maat voor hoe gemakkelijk ladingdragers bewegen in een elektrisch veld. In silicium is de mobiliteit van elektronen groter dan die van gaten.
Intrinsieke ladingdragerdichtheid
Dichtheid van thermisch gegenereerde elektronen en gaten in een zuivere halfgeleider (genoteerd als ni). In silicium bij kamertemperatuur ongeveer 1×10¹⁰ cm⁻³; neemt sterk toe met de temperatuur. In thermisch evenwicht geldt n × p = ni².

Verwante vergelijkingen