n-полупроводники — это полупроводники, электрический ток в которых образуется в основном электронами,
n-полупроводники получили еще одно название — полупроводники с электронной проводимостью.
Один из вариантов получения n-полупроводников — это введение в полупроводник из 14-ой группы
химических элементов, например, кремний Ge, Si, C, атомов из 15-й группы химических элементов. Такими материалами
могут служить азот N, фосфор Р, сурьма Sb или мышьяк As.
В случае двухэлементного полупроводника, такого как арсенид галлия GaAs или нитрид галлия GaN, легирующими материалами
для получения полупроводника n-типа являются атомы из 16-й группы химических элементов (S, Se, Te).
При определенных условиях выращивания кристалла в качестве донорных элементов могут выступать элементы 14-й группы (Si,
Sn). Эти элементы будут поставлять электроны ионам галлия.
Атомы примесей в n-полупроводнике замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки, как это показано
на рисунке 1.
Рисунок 1 Замещение атомом примеси основного атома в 4-валентном
n-полупроводнике
Четыре электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия. Пятый
валентный электрон слабо связан со своим атомом, и при передаче ему незначительной энергии, называемой энергией активации,
отрывается от атома примеси и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными
или просто донорами. Материалы донорных примесей подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд
располагались в запрещенной зоне вблизи нижней границы зоны проводимости основного полупроводника как это показано на
рисунке 2.
Рисунок 2 энергетическая диаграмма полупроводника с электронной проводимостью
Поскольку концентрация доноров в большинстве случаев не превышает 1015 ... 1017
атомов в 1 см3, что составляет 0,0001% атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами
доноров слишком слабо и их энергетические уровни не расщепляются на зоны.
Малая энергия генерации электронов, равная 0,04 ... 0,05 эВ для кремния и 0,01 ... 0,13 эВ
для германия, уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению в зоне
проводимости свободных электронов. Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные
ионы. В отличие от "дырок", положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются
неподвижными положительными зарядами, и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического
тока в n-полупроводнике.