Ich bin gerade dabei, zu lernen, wie Transistoren funktionieren, was damit beginnt, zu verstehen, wie Dotierung verwendet wird, um Halbleitermaterialien vom n-Typ und p-Typ herzustellen.
Alle Ressourcen, die ich gelesen habe, erklären dies auf die gleiche Weise, und mir fehlt etwas. Halbleiter vom P-Typ haben zusätzliche Löcher und sind prädisponiert, Elektronen aufzunehmen, während Halbleiter vom n-Typ zusätzliche freie Elektronen haben und prädisponiert sind, diese abzugeben. Dies ist das Grundprinzip der Funktionsweise von Transistoren, wie ich es verstehe.
Aber jede Ressource betont, dass trotzdem sowohl Halbleiter vom n-Typ als auch vom p-Typ elektrisch neutral sind, wo ich verloren bin. Wenn man zusätzliche Elektronen hat und Elektronen fehlen, wie sind sie dann elektrisch neutral und nicht geladen? Ich scheine deswegen eine Blockade zu haben oder so, ich verstehe es einfach nicht.
Nehmen wir als Beispiel Silizium. Silizium hat vier Valenzelektronen, und Siliziumatome in einem Kristallgitter bilden vier Bindungen mit benachbarten Atomen.
Transistoren und andere Halbleiter bestehen aus Siliziumkristall mit geringen Mengen an hinzugefügten Dotierstoffen. Diese Dotierstoffe verändern die elektrischen Eigenschaften aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem Kristallgitter. Phosphor hat beispielsweise 5 Valenzelektronen. Es ist immer noch elektrisch neutral (Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen), aber da die Siliziumkristallstruktur nur 4 Bindungen pro Atom erfordert, gibt es ein „zusätzliches“ Elektron, das nicht wirklich an der Kristallstruktur beteiligt ist. Mit etwas zusätzlicher Energie geht dieses Elektron in das Leitungsband und wandert frei um das Kristallgitter herum. Dies entspricht einem Halbleiter vom n-Typ.
Bei Halbleitern vom p-Typ gibt es einen ähnlichen Prozess - Bor hat beispielsweise nur 3 Valenzelektronen.
Eine gute Antwort finden Sie hier, aus physikalischer Sicht.
Die Begriffe n- und p-dotiert beziehen sich nur auf die Majoritätsladungsträger. Jeder positive oder negative Ladungsträger gehört zu einem festen negativ oder positiv geladenen Dotierstoff.
Materialien vom p- und n-Typ sind NICHT positiv und negativ geladen.
Ein Material vom n-Typ selbst hat hauptsächlich negative Ladungsträger (Elektronen), die sich frei bewegen können, aber es ist immer noch neutral, weil die festen Donoratome, die Elektronen gespendet haben, positiv sind.
In ähnlicher Weise hat Material vom p-Typ selbst hauptsächlich positive Ladungsträger (Löcher), die sich relativ frei bewegen können, aber es ist immer noch neutral, weil die fixierten Akzeptoratome, die Elektronen aufgenommen haben, negativ sind.
https://physics.stackexchange.com/questions/81488/how-can-doped-semiconductor-be-neutral
Der Halbleiter hat sowohl freie Ladung (Elektronen und Löcher) als auch unbewegliche Ladung (Elektronen im unteren Band, Kernprotonen und ionisierte Donatoren und Akzeptoren).
Wenn ein Donor (zum Beispiel) ionisiert wird, erzeugt er ein freies Elektron, aber auch ein positiv ionisiertes Donoratom. Die Ladung des freien Elektrons und des ionisierten Donors sind gleich und entgegengesetzt. Solange das Elektron also nirgendwo hingeht, bleibt die Nettoladung Null.
Sie sind nicht immer elektrisch neutral.
Ein Halbleiter vom n-Typ hat einen Überschuss an "freien" Elektronen - Elektronen, die sich frei im Halbleiter bewegen können (sehr ähnlich wie Elektronen in einem Metall). Diese Elektronen werden von unbeweglichen Donor-Verunreinigungen „gespendet“, die in den Halbleiter dotiert sind.
Wenn Sie sich vorstellen, von diesem Zustand aus zu beginnen, dann ist das Ergebnis immer noch neutral. Da sich die Elektronen jedoch bewegen können, neigen sie dazu, von Bereichen hoher Konzentration wegzudiffundieren. Wenn Sie ein anderes Material (z. B. p-Typ) mit dem n-Typ verbinden (was einen pn-Übergang bildet), diffundieren Elektronen aus dem Bereich mit hoher Konzentration in den Bereich mit niedriger Konzentration. Dies wird nicht ewig so weitergehen (es sei denn, Sie haben eine Stromquelle angeschlossen), da sie beim Verlassen des n-Typ-Bereichs eine + Ladung hinterlassen. Dies erzeugt ein wiederherstellendes elektrisches Feld, und irgendwann gleicht dieses wiederherstellende Feld den Diffusionsprozess aus und ein Gleichgewicht wird erreicht. Die Einzelheiten hängen von den Materialien, der Dotierung und der Temperatur sowie von einer externen Spannung ab, die zwischen den beiden Materialien angelegt wird, die den pn-Übergang bilden.
Da (ausgehend von neutral) Elektronen (negative Ladung) den n-Typ-Bereich verlassen haben, wird er netto positiv geladen und der p-Typ negativ geladen. Auf ähnliche Weise diffundieren Löcher ('Antielektronen') vom p-Typ zum n-Typ hinüber und laden diesen weiter positiv auf.
Ein ähnliches Verhalten würde auftreten, wenn Sie einen stark dotierten n-Typ mit einem leicht dotierten verbinden (tatsächlich tritt es immer dann auf, wenn ein Konzentrations- (oder Temperatur-) Gradient vorhanden ist).
Das Material als Ganzes ist nicht geladen (nur polarisiert), aber wenn Sie es mit einem anderen Leiter (z. B. einem Draht) verbinden, würde sich die Ladung zwischen der Wolke freier Elektronen im Draht zum Halbleiter bewegen und eine negative Nettoladung erzeugen Es. Obwohl es klein ist, könnte es im Prinzip durch Beobachtung elektrostatischer Kräfte nachgewiesen werden. Es kann nicht gemessen werden, indem (zB) ein Voltmeter an den Halbleiter und das Metall angeschlossen wird, da Ladungen auch in die Leitungen des Voltmeters fließen würden, sich genau aufheben und keine Nettospannung hinterlassen würden. Wenn es tatsächlich einen Temperaturunterschied gäbe, könnten Sie eine Spannung messen – das ist der Seebeck-Effekt (Thermoelement).
Einfache Version:
Bei der n-Dotierung durch Hinzufügen von Phosphor fügen wir tatsächlich ein positives Phosphorion plus ein bewegliches Elektron hinzu.
Beim p-Dotieren durch Hinzufügen von Bor fügen wir tatsächlich ein negatives Borion sowie ein mobiles "Loch" hinzu.
Mamba
Achmed