Chất bán dẫn ngoại lai hay có chất pha

Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor)

Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, Còn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hóa trị đều có năng lượng trong dải hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hóa trị có năng lượng E_D nằm trong dải cấm và cách dẫy dẫn điện một khỏang năng lượng nhỏ chừng 0,05eV.

Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trống trong dải hóa trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lượng E_D cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Vì thế ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hóa (vì khỏang năng lượng giữa E_D và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng E_D đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do.

Nếu ta gọi N_D là mật độ những nguyên tử As pha vào (còn gọi là những nguyên tử cho donor atom).

Ta có: n = p + N_D

Với n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện.

P: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị.

Người ta cũng chứng minh được: n.p = n_i² (n<p)

n_i: mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.

Chất bán dẫn như trên có số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong dải hóa trị gọi là chất bán dẫn loại N.

Chất bán dẫn loại P:

Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), nhôm (Al),... Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hóa trị, còn một điện tử của Si có năng lượng trong dải hóa trị không tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta có một trang thái năng lượng trống có năng lượng E_A nằm trong dải cấm và cách dải hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08eV.

Ở nhiệt độ thấp (T=0⁰K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hóa trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng E_A.

Nếu ta gọi N_A là mật độ những nguyên tử In pha vào (còn được gọi là nguyên tử nhận), ta cũng có:

p = n + N_A

p: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị.

n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện.

Người ta cũng chứng minh được:

n.p = n_i² (p>n)

n_i là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.

Chất bán dẫn như trên có số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại P.

Như vậy, trong chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử.

Chất bán dẫn hỗn hợp:

Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có:

n+N_A = p+N_D

n.p = n_i²

Nếu N_D > N_A => n>p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N.

Nếu N_D < N_A => n<p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại P.