Pha tạp và silicon loại n, loại p
Nguyên tử cho và electron thừa
Thay một nguyên tử Si bằng phosphorus (phốt pho, P), ta được một donor (nguyên tử cho).
P có 5 electron hóa trị, trong khi bốn liên kết với các nguyên tử Si lân cận chỉ cần 4; electron thứ năm không thuộc liên kết nào.
P có 5 electron hóa trị → 4 vào liên kết → thừa 1 electron.
Xem lời đọc
Ta giữ nguyên mạng silicon và chỉ thay một nguyên tử. Nguyên tử bị thay là phốt pho. Phốt pho có năm electron hóa trị, còn silicon chỉ có bốn. Bốn electron của phốt pho đi vào bốn liên kết với các nguyên tử lân cận. Electron thứ năm không còn liên kết nào để vào, nên chỉ nằm sát phốt pho. Vì có thể cho đi một electron, phốt pho được gọi là nguyên tử cho.
Si ở nhóm IV của bảng tuần hoàn nên có 4 electron hóa trị; P ở nhóm V nên có 5, còn B ở nhóm III nên có 3. Nguyên tử tạp chất chiếm đúng vị trí của một nguyên tử Si trong mạng, nên vẫn tạo bốn liên kết với bốn nguyên tử lân cận.
Hình hai chiều chỉ giữ số liên kết và số electron, không giữ góc liên kết hay khoảng cách thật. Số nguyên tử tạp chất trong hình chỉ là một vài nguyên tử; trong vật liệu thật, từ vài trăm đến hàng trăm triệu nguyên tử Si mới có một nguyên tử tạp chất, và với nồng độ 1016 cm−3 thì cỡ năm triệu nguyên tử Si mới có một nguyên tử tạp chất.
Electron thừa không nằm sát một điểm: nó trải ra cỡ vài lớp nguyên tử quanh P, tức vài nm. Hình chỉ vẽ nó sát P cho dễ nhìn.
Ion cố định dương và electron tự do
Ở nhiệt độ phòng, electron thừa rời P và thành electron tự do; P còn lại là một fixed ion (ion cố định) mang điện dương.
Electron thừa chỉ bị P giữ rất yếu nên nhiệt đủ để tách nó ra; P sau khi mất electron thì đứng yên trong mạng.
Electron thừa rời P → P thành ion dương cố định → electron tự do đi khắp mạng.
Xem lời đọc
Electron thừa chỉ bám rất yếu vào phốt pho. Ở nhiệt độ phòng, nhiệt là đủ để tách nó ra. Bạn nhìn nó rời phốt pho rồi chạy khắp mạng. Giờ nó là electron tự do. Còn phốt pho vừa mất một electron, nên mang điện dương. Nó nằm lại trong mạng, không đi đâu cả. Ta gọi nó là ion cố định. Một ion dương đứng yên, một electron tự do chạy khắp nơi. Điện tích bù nhau, nên khối vẫn trung hòa.
Ion cố định nằm trong mạng tinh thể, chỉ rung nhiệt quanh vị trí như các nguyên tử Si và không đi đâu, nên không góp vào dòng điện. Chỉ electron tự do và lỗ trống mới góp vào dòng. Mỗi P cho một electron nên số ion dương bằng số electron mà các P đã cho; điện tích dương của ion và điện tích âm của electron bù nhau, khối vẫn trung hòa điện.
Năng lượng cần để tách electron thừa khỏi P trong silicon cỡ 0,045 eV, nhỏ hơn nhiều so với vùng cấm Eg ≈ 1,12 eV và cỡ gấp đôi kT ≈ 0,026 eV ở 300 K. Vì vậy ở nhiệt độ phòng, với nồng độ P cỡ 1016 cm−3, gần như mọi nguyên tử P đã cho electron.
Việc nguyên tử tạp chất cho hoặc nhận electron gọi là ion hóa. Hình hai chiều chỉ minh họa: electron thừa bị giữ quanh P rồi thoát ra nhờ nhiệt.
Nguyên tử nhận và liên kết thiếu electron
Thay một nguyên tử Si bằng boron (bo, B), ta được một acceptor (nguyên tử nhận).
B có 3 electron hóa trị, trong khi bốn liên kết cần 4; một liên kết của B chỉ có 1 electron.
B có 3 electron hóa trị → 3 liên kết đủ electron → liên kết thứ tư thiếu 1 electron.
Xem lời đọc
Lần này ta thay một nguyên tử silicon bằng bo. Bo chỉ có ba electron hóa trị. Nên ba liên kết của nó đủ electron. Liên kết thứ tư thì chỉ có một electron, của nguyên tử silicon bên cạnh. Bạn nhìn liên kết đó. Nó thiếu một electron. Chỗ thiếu một electron này sẽ nhận electron từ nơi khác, nên bo được gọi là nguyên tử nhận.
Ion cố định âm và lỗ trống tự do
Electron của liên kết bên cạnh nhảy sang lấp liên kết thiếu; B nhận thêm electron nên thành ion cố định mang điện âm, còn lỗ trống đi khắp mạng.
Electron nhảy đi để lại lỗ trống ở liên kết cũ; các bước nhảy tiếp theo đưa lỗ trống ra xa B, còn B đứng yên.
B nhận 1 electron → B thành ion âm cố định → lỗ trống đi khắp mạng.
Xem lời đọc
Liên kết thiếu electron sẽ lấy electron của liên kết bên cạnh. Bạn nhìn electron màu vàng nhảy sang. Bo nhận thêm một electron, nên mang điện âm và nằm lại trong mạng. Còn liên kết vừa mất electron thì thành lỗ trống. Nhờ nhiệt, lỗ trống dịch từ liên kết này sang liên kết khác, và rời xa bo. Một ion âm nằm lại, một lỗ trống đi khắp mạng. Điện tích bù nhau, nên khối vẫn trung hòa.
Nguyên tử cho sau khi ion hóa là ion cố định dương; nguyên tử nhận sau khi ion hóa là ion cố định âm. Cả hai đều là một phần của mạng nên không chuyển động, và không góp vào dòng điện.
Năng lượng ion hóa của B trong silicon cũng cỡ 0,045 eV, nên ở nhiệt độ phòng gần như mọi nguyên tử B đã nhận electron.
Trong hình hai chiều, lỗ trống không đi vào bốn liên kết của B và đổi hướng khi chạm mép mạng; mạng vẽ chỉ là một phần nhỏ của khối silicon.
Hạt tải đa số và hạt tải thiểu số
Ở silicon pha P, electron là majority carrier (hạt tải đa số) còn lỗ trống là minority carrier (hạt tải thiểu số).
Mỗi P thêm vào cho thêm một electron tự do; nhiệt vẫn sinh lỗ trống, nhưng lỗ trống gặp electron dễ hơn nên tái hợp nhanh hơn.
Thêm electron tự do → lỗ trống bị tái hợp nhiều hơn → số lỗ trống giảm.
Xem lời đọc
Giờ ta thêm phốt pho vào mạng, mỗi lần một nguyên tử. Mỗi lần thêm, số electron tự do tăng thêm một. Nhiệt vẫn sinh các cặp electron và lỗ trống, với tốc độ không đổi. Nhưng lỗ trống gặp electron dễ hơn. Nên tốc độ tái hợp tăng lên, rồi cân bằng ở mức có ít lỗ trống hơn. Bạn nhìn bộ đếm. Electron nhiều, lỗ trống ít. Electron là hạt tải đa số. Lỗ trống là hạt tải thiểu số.
Gọi n là nồng độ electron tự do và p là nồng độ lỗ trống, tức số hạt trong mỗi cm3. Ở một nhiệt độ xác định, khi đã cân bằng giữa sinh và tái hợp, tích n·p luôn bằng ni2, với ni là nồng độ hạt tải của silicon tinh khiết cùng nhiệt độ. Pha tạp làm tăng n thì p phải giảm để tích giữ nguyên. Đây là quy luật khối lượng tác dụng (mass action).
Ở 300 K lấy ni cỡ 1010 cm−3. Nếu pha P đến nồng độ 1016 cm−3 thì n cỡ 1016 cm−3 và p cỡ 104 cm−3: electron nhiều hơn lỗ trống cỡ một nghìn tỉ lần.
Hình chỉ dùng vài hạt để nhìn được. Bộ đếm là số hạt đang có trên hình ở mỗi thời điểm, nên lỗ trống dao động quanh một giá trị nhỏ chứ không đứng yên.
Silicon loại n và silicon loại p
Pha nguyên tử cho được n-type (loại n); pha nguyên tử nhận được p-type (loại p); mỗi loại có hạt tải đa số riêng.
Loại n có ion dương cố định, electron là đa số, lỗ trống là thiểu số; loại p thì ngược lại.
Pha P → loại n → electron đa số · pha B → loại p → lỗ trống đa số.
Xem lời đọc
Ta đặt hai mẫu cạnh nhau, không chạm nhau. Mẫu bên trái pha phốt pho. Đó là silicon loại nờ. Chữ nờ nhắc rằng hạt tải đa số mang điện âm. Mẫu bên phải pha bo. Đó là silicon loại pi, với lỗ trống là hạt tải đa số. Bạn nhìn bộ đếm của từng mẫu. Điện tích của ion và của hạt tải bù nhau. Nên cả hai mẫu đều trung hòa điện.
Chữ n lấy từ negative (âm), chữ p lấy từ positive (dương), chỉ dấu điện tích của hạt tải đa số. Cả hai loại đều trung hòa điện, vì mỗi điện tích của hạt tải được bù bởi một ion cố định trái dấu.
Hai mẫu trong hình là hai mẫu riêng, đặt cạnh nhau để so sánh. Bộ đếm cho thấy tổng điện tích mỗi mẫu bằng không: bên loại n, 2 ion dương cộng 1 lỗ trống bằng 3 electron; bên loại p thì ngược lại.
Pha tạp từng vùng trên một linh kiện
Với cùng vật liệu silicon, ta chọn loại tạp chất cho từng vùng, nên mỗi vùng có loại hạt tải đa số riêng.
Vùng pha P thành loại n; vùng pha B thành loại p; vùng không pha vẫn là silicon tinh khiết.
Chọn tạp chất theo vùng → mỗi vùng một loại → hạt tải đa số đổi theo vùng.
Xem lời đọc
Một linh kiện không chỉ có một loại silicon. Với cùng vật liệu silicon, ta chọn loại tạp chất cho từng vùng. Vùng bên trái pha phốt pho, nên là loại nờ. Vùng bên phải pha bo, nên là loại pi. Ở giữa là silicon không pha tạp. Bạn nhìn hàng đồ thị bên dưới. Nó cho biết loại hạt tải đa số ở từng vị trí. Cùng một vật liệu, nhưng tính chất đổi theo vùng.
Khi chế tạo, tạp chất được đưa vào đúng vùng đã chọn bằng cách cấy ion hoặc khuếch tán nhiệt. Nồng độ tạp chất cũng chọn được trong khoảng rất rộng, cỡ từ 1014 đến 1020 cm−3. Nồng độ tạp chất càng lớn thì càng nhiều hạt tải, và điện trở suất ρ càng nhỏ.
Trong hình, ba vùng là ba mẫu rời có khe giữa, cùng đặt trên một thước vị trí, để chỉ xét riêng từng vùng. Vùng không pha tạp là lý tưởng hóa: silicon thật luôn lẫn một ít tạp chất. Số hạt vẽ chỉ minh họa; hai hàng đồ thị bên dưới đều có nồng độ không âm, và hàng cuối là loại hạt tải đa số theo vị trí.