Katkılama İşlemi
Oda sıcaklığında bulunan bir saf yarıiletken, serbest iletim elektronlarının çok az oluşu nedeniyle nispeten hayli yüksek bir dirence sahiptir. Bununla birlikte, oda sıcaklığında bulunan bir yarıiletkenin iletkenliği, bu yarıiletkenin kristal kafesine çok küçük bir miktarda yabancı madde katkısı ile yükseltilebilir. Bu katkı sonucunda kristal yapı içerisinde bir germanyum atomunun yerini bir yabancı atom alır. Normal kristal kafesinin bozulduğu bu yerlere katışkı (impurity) ve bu işleme ise katkılama (doping) adı verilir.
n- İletken
Resim 1: Bir germanyum kristalinde arsenik-yabancı atom
Resim 1: Bir germanyum kristalinde arsenik-yabancı atom
Bağlanma sırasında, beş harici elektronundan dördüne ihtiyaç duyulan arsenik, antimon veya bizmut gibi beş-değerli (pentavalent) yabancı atomlar katkılama için kullanılır. Bu atomun beşinci elektronu, bağlantı yapabileceği bir elektron-ortağı bulamaz. Bu nedenle elektronun kristal yapıya olan bağı zayıftır ve düşük bir sıcaklıkta bile yabancı atomdan kopabilir. Elektronun serbest kalması ile başında nötr olan yabancı atom bir sabit pozitif iyona dönüşür. Katkılanmış bu iletkene, mevcut çoğunluk yük taşıyıcıların (majority carriers) ön işaretinin değişmesi nedeniyle n-iletken denilir. (Sadece uygulanan bir elektrik alanında, serbestçe hareket edebilen, yani atom çekirdeğine bağlı olmayan yükler dikkate alınır.)
Yerleşik bu beş-değerli yabancı atoma iletim elektronlarını „bağışladıkları“ için verici (donor) denir. Beşinci dış elektronun arsenik atomundan kopması çok düşük sıcaklıklarda bile olabilir. Bu yüzden oda sıcaklıklarında bile tüm arsenik atomları iyonize olur. Serbest kalan beşinci elektron şimdi bir serbest iletim elektronu gibi çalışır.
Bir n-tipi yarıiletkendeki elektrik iletimi, metallerdeki, örneğin bakırdaki elektrik akımı gibidir. Isının artması sırasında germanyum kendi sükûnet konumları etrafında kuvvetlice hareket eder ve böylece elektron hareketini engeller. Yük taşıyıcıların yoğunluğu 50° C den sonra artmaya başlar, iletkenliğin bu sıcaklığa kadar azalması gerekir. 50° C nin üstünde iletkenlik artar ve direnç azalır.
p- İletken
Resim 2: Bir germanyum kristalinde indiyumun-yabancı atom
Resim 2: Bir germanyum kristalinde indiyumun-yabancı atom
Eğer, beş-değerli atomlar yerine, germanyum kafese bu sefer üç-değerli (trivalent) atomlar yerleştirilirse, yabancı atomun dış elektronları germanyum bağ elektronu ile elektron-ikilileri meydana getirirler. Üç-değerli atomlar arasında, örneğin indiyum (In), galyum (Ga) veya bor (Boron) sayılabilir. Bu yabancı atomlara, ilave elektron kabul ettiklerinden dolayı alıcı (acceptor) denilir. Mevcut çoğunluk taşıyıcılarının yükünün artı olması nedeniyle ortaya çıkan bu katkılanmış yarı iletkene p-iletken denilir. Benzeri şekilde, elektron delikleri elektrik iletimine katılırlar, ancak bunlara azınlıkta kalmaları nedeniyle azınlık taşıyıcıları (minority carriers) denilir.
Resim.2 de görüldüğü gibi, indiyum atomu germanyum kafese yerleştirildiğinde, indiyumda 3 adet değerlik elektronu olduğundan komşu germanyum atomunda kendisine bir ortak elektron bulamaz, böylece bir elektronun yeri boş kalır. Bu boşluk kolayca komşu atomun elektronu ile doldurulur. Böylece yarıiletkende, ikili birleşimlerden kaynaklanan delik sayısı artar. Başlangıçta nötr olan indiyum atomu, bir elektronun gelmesi sonucu negatif bir iyona dönüşür.
Bir p-yarıiletkende elektrik iletimini ağırlıklı olarak bahsettiğimiz deliklerin-iletimi şekiller. Eğer bir p- yarıiletkene gerilim uygulanırsa elektronlar pozitif elektroda göç ederler. Delikler ise, aynı zamanda negatif elektroda doğru göç ederler ve böylece pozitif yük taşıyıcıların hareketiyle bir elektriksel iletim gerçekleşir.
Katkılama işleminde uygulanan yöntemler oldukça karmaşıktır. Bu tekniklere hâkimiyet ile yarıiletken elektroniğinde büyük aşamalar kaydedildi.