N-Typ- und P-Typ-Halbleiter – Erläuterung

P-Typ und N-Typ Halbleiter, sind die am häufigsten verwendeten Halbleiter (z. B. Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise). Diese beiden Halbleitertypen arbeiten in elektronischen Geräten zusammen, um die verschiedenen elektronischen Komponenten zu bilden, die wir täglich verwenden.

Dieser Artikel befasst sich heute mit den Grundkonzepten von P-Typ- und N-Typ-Halbleitern und ihren wichtigsten Anwendungen in modernen elektronischen Geräten. Außerdem werden die Unterschiede zwischen P-Typ- und N-Typ-Halbleitern verglichen. Hoffentlich hilft Ihnen dieser Artikel dabei, das Zusammenspiel dieser beiden Halbleiter und die Bereitstellung von Energie für die Realisierung verschiedener elektronischer Hochleistungskomponenten besser zu verstehen.

Was ist ein Halbleiter?

Bevor wir uns mit Halbleitern vom P-Typ und N-Typ befassen, wollen wir zunächst verstehen, was ein Halbleiter ist.

Wie bereits erwähnt, bestehen Halbleiter nicht aus einem einzigen Material, sondern werden durch Dotierung verschiedener Elemente hergestellt. Das Wesentliche eines Halbleiters ist ein Material mit geeigneter elektrischer Leitfähigkeit zwischen Leiter und Isolator. Durch Dotierung verschiedener Elemente (wie drei- und fünfwertiger Elemente) entstehen p-Typ- und n-Typ-Halbleiter. Das bedeutet, dass Halbleiter unter bestimmten Bedingungen Strom leiten können, unter anderen nicht.

WWofür werden Halbleiter verwendet??

Halbleiter finden breite Anwendung in einer Vielzahl von Geräten wie Computerprozessoren, Speicherchips, Solarzellen, LEDs und Transistoren. Halbleiter bilden die Grundlage für nahezu alle elektronischen Schaltungen und ermöglichen Funktionen wie Verstärkung, Schaltung und Signalmodulation.

Was ist ein N-Typ-Halbleiter?

N-Typ-Halbleiter ist ein Halbleitermaterial, das durch Einbau eines fünfwertiges Element *, wie Phosphor, Arsen oder Antimon. Der Einbau dieser fünfwertigen Elemente erhöht die Anzahl der Elektronen in N-Typ-Halbleitern im Vergleich zu intrinsische Halbleiter *.

Die Hauptladungsträger von N-Typ-Halbleitern sind freie Elektronen, die von den eingebauten fünfwertigen Elementen stammen, die sich im Kristall frei bewegen können. Wird ein äußeres elektrisches Feld an den Halbleiter angelegt, wandern diese freien Elektronen unter der Einwirkung des elektrischen Feldes und bilden einen elektrischen Strom. N-Typ-Halbleiter leiten aufgrund ihrer höheren Elektronenkonzentration und der geringeren Anzahl von Löchern (d. h. den Stellen, an denen Elektronen im Kristall fehlen) Strom deutlich schlechter als freie Elektronen. Das „N“ eines N-Typ-Halbleiters bedeutet, dass sein Hauptladungsträger ein negativ geladenes Elektron ist; in elektronischen Geräten dient er hauptsächlich als Stromleitmedium.

*Fünfwertige Elemente haben fünf äußere Elektronen, von denen vier kovalente Bindungen mit anderen Atomen im Siliziumgitter bilden, während das verbleibende nicht an der Bildung kovalenter Bindungen teilnimmt und freie Elektronen bildet, die N-Typ-Halbleitern eine höhere elektrische Leitfähigkeit verleihen.

*Eigenhalbleiter bezeichnet reine Halbleitermaterialien, die nicht mit anderen Elementen dotiert sind. Ihre Leitfähigkeit wird ausschließlich durch die Eigenschaften des Materials selbst bestimmt und nicht durch externe Verunreinigungen wie dotierte Elemente.

N Typ Dopingverfahren

Typischerweise werden N-Typ-Halbleiter auf Silizium (Si)-Basis durch die Einarbeitung von Dotierstoffen wie fünfwertigen Elementen (wie Phosphor, Arsen oder Antimon) hergestellt. Diese dotierenden fünfwertigen Elemente verfügen über ein zusätzliches Elektron und bilden vier kovalente Bindungen mit dem Siliziumatom. Ein freies Elektron bleibt übrig, das nicht an der Bindung beteiligt ist. Dieses freie Elektron, das keinem Atom angehört, kann sich frei durch die Kristallstruktur bewegen und verbessert so die Leitfähigkeit des Materials.

Der Dotierungsprozess ist ein entscheidender Schritt zur Veränderung der Eigenschaften eines Halbleiters. Durch die Anpassung der Dotierungskonzentration lässt sich die Leitfähigkeit von N-Typ-Halbleitern präzise steuern.

N-tippe Bund Diagram

N-Typ-Banddiagramme sind Diagramme, die die Energieverteilung von Elektronen in N-Typ-Halbleitern beschreiben. Sie helfen uns zu verstehen, wie Elektronen in Halbleitermaterialien in verschiedenen Energiebändern verteilt sind und wie sie von Faktoren wie Dotierung (wie etwa Einbau fünfwertiger Elemente) und externen elektrischen Feldern beeinflusst werden.

Wesentliche EElemente der Bund Map für N-Typ SHalbleiter:

Leitungsband: Ein Band, in dem sich Elektronen frei bewegen können. (Hier können sich Elektronen frei durch das Material bewegen und so Strom leiten.)

Valenzband: Das höchste Energieband, das ein Elektron ohne externe Anregung einnehmen kann. (Elektronen in Valenzbändern fließen normalerweise nicht frei.)

Bandlücke: Der Energiebereich zwischen Leitungs- und Valenzband.

Fermi-Niveau: Ein Referenzenergieniveau, das den Energiezustand eines Elektrons angibt.

Freie Elektronen: Das hinzugefügte fünfwertige Element liefert zusätzliche Elektronen, die die Lücke in der Nähe des Leitungsbandes füllen und so freie Elektronen bilden.

Bei n-Typ-Halbleitern liegt das Fermi-Niveau näher am Leitungsband als am Leitungsband. Leitungsbänder sind hochenergetische Bänder, in denen sich Elektronen frei durch den Halbleiter bewegen können. Da in n-Typ-Halbleitern eine große Anzahl freier Elektronen vorhanden ist, können diese unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Felds in das Leitungsband eintreten und so eine Leitung erreichen. Im Banddiagramm ist die Bandlücke zwischen Leitungsband und Valenzband üblicherweise groß, und die Elektronen müssen bestimmte Energiebarrieren überwinden, um vom Valenzband ins Leitungsband zu gelangen. Da in n-Typ-Halbleitern jedoch die hinzugefügten fünfwertigen Elemente zusätzliche Elektronen liefern, müssen diese Elektronen die Bandlücke nicht überqueren, sondern befinden sich direkt in der Nähe des Leitungsbandes, wodurch ein freier Elektronenfluss ermöglicht wird.

Elektrische Leitfähigkeit

Dank der Anwesenheit freier Elektronen weisen N-Typ-Halbleiter eine hohe Leitfähigkeit auf und können unter Einwirkung externer elektrischer Felder Strom leiten. Wird ein elektrisches Feld an einen N-Typ-Halbleiter angelegt, fließen freie Elektronen von einem Bereich mit hohem Potenzial zu einem Bereich mit niedrigem Potenzial und erzeugen so einen elektrischen Strom. Die Transporteffizienz freier Elektronen ist sehr hoch, und die Leitfähigkeit von N-Typ-Halbleitern ist in der Regel stark.

Die Leitfähigkeit von N-Typ-Halbleitern wird durch Temperatur und Dotierungskonzentration beeinflusst. Je höher die Temperatur, desto mehr freie Elektronen im Material und desto stärker die Leitfähigkeit. Je höher die Dotierungskonzentration, desto mehr freie Elektronen im Halbleiter und desto höher die elektrische Leitfähigkeit.

Anwendungen von N-Typ-Halbleitern

N-Typ-Halbleiter werden häufig in verschiedenen elektronischen Geräten verwendet. Beispielsweise in Dioden, Transistoren, Solarzellen, Spannungsreglern und integrierten Schaltkreisen.

Was ist ein P-Typ-Halbleiter?

P-Typ-Halbleiter entstehen durch Dotierung von reinem Silizium (Si) oder Germanium (Ge) mit dreiwertigen Elementen (wie Bor, Aluminium, Gallium usw.). Durch die Dotierung mit diesen dreiwertigen Elementen bilden sich in P-Typ-Halbleitern zahlreiche Löcher (positive Ladungsträger), was ihre elektrische Leitfähigkeit deutlich erhöht. Im Gegensatz zu den freien Elektronen von N-Typ-Halbleitern sind die Hauptladungsträger von P-Typ-Halbleitern Löcher, die sich im Halbleiterkristall frei bewegen können und so den Stromfluss ermöglichen.

P-Typ-Dotierungsprozess

P-Typ-Halbleiter verwenden üblicherweise Silizium (Si) als Substrat mit dreiwertigen Elementen (wie Bor, Gallium, Aluminium usw.). Diese dreiwertigen Elemente haben drei äußere Elektronen. Wenn sie sich mit Siliziumatomen verbinden, bildet jedes dreiwertige Element eine kovalente Bindung mit vier Siliziumatomen. Da dem dreiwertigen Element jedoch ein Elektron fehlt, entsteht ein Loch. Die Löcher können als positiv geladene Ladungsträger betrachtet werden, die sich durch den Kristall bewegen und somit Strom leiten können.

P-tippe Bund Diagram

Ähnlich wie die zuvor beschriebenen N-Typ-Banddiagramme helfen uns P-Typ-Banddiagramme zu verstehen, wie Elektronen in Halbleitermaterialien verteilt sind und wie sie von Faktoren wie Dotierung (z. B. Einbau dreiwertiger Elemente) und externen elektrischen Feldern beeinflusst werden. Die wichtigsten Elemente eines P-Typ-Halbleiter-Banddiagramms sind dieselben wie die eines N-Typ-Halbleiters, das Banddiagramm selbst unterscheidet sich jedoch, wie unten dargestellt.

Elektrische Leitfähigkeit

P-Typ-Halbleiter weisen eine große Anzahl von Löchern auf, und der Lochfluss ermöglicht es P-Typ-Halbleitern, Strom zu leiten. Unter der Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes wandert das Loch vom Bereich hohen Potenzials zum Bereich niedrigen Potenzials, wodurch ein elektrischer Strom entsteht.

Je höher die Temperatur, desto mehr Löcher hat der P-Typ-Halbleiter und desto stärker ist die Leitfähigkeit. Je höher die Dotierungskonzentration, desto mehr Löcher hat der P-Typ-Halbleiter und desto stärker ist die Leitfähigkeit.

Anwendungen von P-Typ-Halbleitern

P-Typ-Halbleiter werden auch häufig in verschiedenen elektronischen Geräten wie Dioden, Transistoren, Fotodioden usw. verwendet.

Unterschiede zwischen N-Typ- und P-Typ-Halbleitern

Definition, Dotierungsprozess, Banddiagramm, elektrische Leitfähigkeit und Anwendungen von N-Typ- und P-Typ-Halbleitern wurden bereits beschrieben. Betrachten wir nun die Unterschiede zwischen den beiden Typen, wie in der Tabelle dargestellt.

PN-Übergang

PN-Übergang bezeichnet die Kombination von P-Typ- und N-Typ-Halbleitern. Die Kombination von P-Typ- und N-Typ-Halbleitern bildet viele grundlegende elektronische Bauelemente. Erfahren Sie mehr darüber.

IInterner Prozess der PN-Verbindung

Bei der Bildung eines PN-Übergangs treten mehrere Phänomene auf: Trägerdiffusion, Bildung einer Verarmungszone und eines internen elektrischen Felds.

Trägerdiffusion Bezeichnet die Diffusion freier Elektronen vom N-Typ-Halbleiter zum P-Typ-Halbleiter und die Diffusion von Löchern vom P-Typ-Halbleiter zum N-Typ-Halbleiter während der Bildung eines PN-Übergangs. Der Grund dafür ist, dass sich die hohe Ladungsträgerkonzentration auf natürliche Weise in den Bereich niedrigerer Konzentration ausbreitet, bis sich die Ladungsträgerkonzentrationen auf beiden Seiten ausgleichen. Wenn dann Elektronen vom N-Typ-Halbleiter zum P-Typ-Halbleiter diffundieren und die Löcher im P-Typ-Halbleiter füllen, bilden sich negative Ionen. Auf einer Seite des N-Typ-Halbleiters führt der Elektronenfluss zu einem Mangel an freien Elektronen, wodurch positive Ionen entstehen. An diesem Punkt bildet der Bindungsbereich von Löchern und Elektronen eine Verarmungsbereich, ohne Ladungsträger und ohne Stromfluss. In der Verarmungszone wird das elektrische Feld, das im PN-Übergangsbereich aufgrund der Ladungstrennung zwischen positiven und negativen Ionen entsteht, als inneres elektrisches Feld oder das intrinsische elektrische Feld.

Leitfähigkeitseigenschaften von   PN-Übergang

Die Leitungscharakteristik des PN-Übergangs beschreibt das Stromleitungs- oder Sperrverhalten des PN-Übergangs unter verschiedenen Spannungsbedingungen. Der PN-Übergang wird hauptsächlich von den folgenden zwei Bedingungen beeinflusst:

Vorwärtsvorspannung: Das heißt, wenn der P-Typ-Halbleiter mit dem Pluspol der Stromversorgung und der N-Typ-Halbleiter mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden ist, verringert die extern angelegte Spannung den Einfluss des internen elektrischen Felds, sodass die Löcher im P-Typ-Halbleiter und die Elektronen im N-Typ-Halbleiter den PN-Übergang passieren und einen Strom bilden können. Zu diesem Zeitpunkt kann der PN-Übergang Strom leiten.

Gleicht Voreingenommenheit: Wenn der p-Typ-Halbleiter mit dem Minuspol der Stromversorgung und der n-Typ-Halbleiter mit dem Pluspol der Stromversorgung verbunden ist, erhöht die angelegte Spannung die Stärke des internen elektrischen Felds und erschwert so den Durchgang von Elektronen und Löchern durch den pn-Übergang. Der pn-Übergang leitet zu diesem Zeitpunkt keinen Strom. Sobald die angelegte Spannung jedoch hoch genug ist, um den pn-Übergang zu zerstören, steigt der Strom schlagartig an. Diese Leitfähigkeitseigenschaften des pn-Übergangs machen ihn in elektronischen Geräten so wichtig. Dioden beispielsweise nutzen diese Leitfähigkeitseigenschaften des pn-Übergangs, um den Stromfluss und die Stromstärke zu steuern.

Synergistischer Effekt der PN-Verbindung

Im PN-Übergang liefert der P-Typ-Halbleiter Löcher als Hauptladungsträger und bewegt sich unter Einwirkung eines elektrischen Felds in Richtung des N-Typ-Halbleiters. N-Typ-Halbleiter liefern freie Elektronen als Hauptladungsträger, die sich unter Einwirkung eines elektrischen Felds in Richtung des P-Typ-Halbleiters bewegen. P-Typ-Halbleiter und N-Typ-Halbleiter wirken durch Diffusion und elektrisches Feld zusammen, um eine Verarmungszone und ein internes elektrisches Feld zu bilden, sodass der PN-Übergang den Stromfluss effektiv steuern kann.

Kurz gesagt: P-Typ- und N-Typ-Halbleiter sind die Bausteine ​​der modernen Elektronik. Ob Sie sie in Dioden oder Transistoren verwenden, das Verständnis ihrer Eigenschaften und Unterschiede ist entscheidend für den Entwurf und die Optimierung elektronischer Schaltungen. Ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen geholfen, P-Typ- und N-Typ-Halbleiter besser zu verstehen.