N-tyypin puolijohde on eräs elektroniikassa käytetty materiaalityyppi.

Se valmistetaan lisäämällä epäpuhtauksia puhtaaseen puolijohteeseen, kuten piihin tai germaniumiin. Epäpuhtauksina voidaan käyttää fosforia, arseenia, antimonia, vismuttia tai jotain muuta kemiallista elementtiä. Niitä kutsutaan luovuttajaepäpuhtauksiksi. Epäpuhtautta kutsutaan luovuttajaksi, koska se antaa vapaan elektronin puolijohteelle. Tämän tarkoituksena on saada materiaaliin enemmän varauksenkuljettajia eli elektronijohtimia johtumista varten. Lopullinen materiaali on paljon johtavampaa kuin alkuperäinen pii tai germanium.

Dopaus ja luovuttajaepäpuhtaudet

N-tyypin dopauksessa käytetään yleensä pentavalentteja (viidenarvoisia) alkuaineita, jotka tuovat ylimääräisen elektronin kiteeseen. Kun luovuttajaatomit integroituivat kideverkkoon, niiden ylimääräiset elektronit voidaan helposti ionisoida lämpöliikkeen vaikutuksesta ja liittyä vapaiksi kantajiksi (elektroneiksi). Tämän takia dopattu alue saa negatiivisen kantajatyypin eli n-tyypin.

Johtavuus ja kantajatyypit

Keskeiset käsitteet n-tyypissä:

  • Majoriteettikantajat: elektronit — niiden tiheys n on merkittävästi suurempi kuin aukkojen p.
  • Minoriteettikantajat: aukot — esiintyvät pienempänä määränä mutta vaikuttavat esimerkiksi rekombinaatio- jakinetiiikkaan.
  • Sähköjohtavuus: sigma ≈ q · n · mu_n, missä q on alkeisvaraus ja mu_n on elektronin liikkuvuus. Koska elektronien liikkuvuus on tyypillisesti suurempi kuin aukkojen, n-tyyppinen puolijohde johtaa hyvin tehokkaasti.

Energiakaavio ja Fermin taso

N-tyypissä dopauksen seurauksena muodostuu luovuttajatasoja lähelle johtavuuskaistaa. Useimmat luovuttajat ionisoituvat helposti huoneenlämpötilassa, jolloin niiden elektronit siirtyvät johtavuuskaistaan. Lisäksi Fermin taso (kemiallinen potentiaali) siirtyy lähempänä johtavuuskaistaa kuin puhtaassa (intrinsic) puolijohteessa, mikä kuvastaa elektronien enemmistöasemaa.

Temperatuuriri riippuvuus ja dopausalueet

Käyttäytyminen jakautuu tyypillisesti kolmeen lämpötila-alueeseen:

  • Jäähtymisalue (freeze-out): hyvin matalissa lämpötiloissa luovuttajat eivät ole täysin ionisoituneet ja vapaita elektroneja on vähän.
  • Ekstrinsinen alue: kohtalaisissa lämpötiloissa dopaus määrää elektronitiheyden (n ≈ ND+, ionisoituneet luovuttajat).
  • Intrinsinen alue: korkeissa lämpötiloissa oma parivarausluonti (elektroni–aukko) kasvaa ja materiaalin käyttäytyminen lähestyy puhdasta puolijohdetta.

Dopausasteet ja materiaaliluokitukset

Dopausasteita ilmaistaan tyypillisesti atomitiheyksinä (cm⁻³). Esimerkkejä:

  • Hienodopattu: ~10^13–10^15 cm⁻³
  • Keskidopattu: ~10^15–10^17 cm⁻³
  • Raskasdopattu (n+): >10^18 cm⁻³

Heavily doped -alueita (n+) käytetään esimerkiksi kontakteissa ja emittereissä, kun taas kevyemmin dopatut rakenteet muodostavat jännitteenkestoltaan ja varauksenjakautumisen kannalta tärkeitä alueita.

Valmistusmenetelmät

Tavallisia dopausmenetelmiä ovat:

  • Diffuusio: dopanttimolekyylit diffundoidaan korkeassa lämpötilassa pinnalta sisäänpäin.
  • Ionien implantation: dopantti-ioneja ammutaan kontrolloidulla energialla pintaan ja tarvittaessa aktivoidaan lämpökäsittelyllä.
  • Epitaksia: kasvatusmenetelmät, joilla voidaan rakentaa kerroksellisia rakenteita eri dopausprofiileilla.

Komponentit, mittaukset ja sovellukset

N-tyypin alueita käytetään lähes kaikissa puolijohdekomponenteissa: puolijohdediodeissa, n-kanavaisissa MOSFETeissä, bipolaarisissa transistoreissa (esimerkiksi emitteri tai kollektorin dopaus riippuu suunnittelusta) sekä fotodetektoreissa ja aurinkokennossa. Monissa integroiduissa piireissä sekä p- että n-tyypin alueet on tarpeen muodostaa tarkasti hallituilla profiileilla.

Tyypillisiä mittausmenetelmiä dopauksen ja johtavuuden selvittämiseen ovat Hall-ilmiö (kantajatiheys ja liikkuvuus) ja nelipistekoskettimen resistanssimittaukset (pintaresistanssi).

Lisähuomiot

Sekä materiaalin liikkuvuus että resistiivisyys riippuvat dopauspitoisuudesta: korkea dopaus nostaa kantajamäärää mutta voi laskea liikkuvuutta epäpuhtaussirontasyiden takia. Lisäksi kompensaatio (kun sekä luovuttajia että vastaanottajia on läsnä) voi vähentää vapaita elektroneja ja muuttaa materiaalin käyttäytymistä.

Yhteenvetona: n-tyypin puolijohde on dopattu puolijohde, jonka johtavuus perustuu vapaisiin elektroneihin. Tarkka dopaus, valmistusmenetelmät ja lämpötilakäyttäytyminen määrittävät sen sähköiset ominaisuudet ja soveltuvuuden eri elektronisiin sovelluksiin.