Pooljuhid ja dopeerimine

Puhas, dopeerimata pooljuht nagu räni juhib elektrit toatemperatuuril ainult nõrgalt, kuna selle väike, kuid nullist erinev keelutsoon lubab termiliselt ergastada täidetud valentsvööst tühja juhtivusvööse ainult tagasihoidliku arvu elektrone. Praktilised pooljuhtseadmed ei toetu enamasti puhtale materjalile; selle asemel kasutavad need ära dopeerimist — lisandiaatomite tahtlikku, hoolikalt kontrollitud kontsentratsiooni sissetoomist kristallvõresse —, et kavandada materjali juhtivust ja laengukandja tüüpi sihilikult.

Ränil on neli valentselektroni, millest igaüks moodustab kovalentse sideme naaberräniaatomiga kristallvõres. Aeg-ajalt räniaatomi asendamine doonor-lisandiga perioodilisuse tabeli V rühmast, näiteks fosforiga (viis valentselektroni), jätab neli elektroni osalema sidemetes täpselt nagu räni puhul, üks elektron üle jäänud — nõrgalt seotud doonoraatomiga ja toatemperatuuril soojusenergia poolt hõlpsasti juhtivusvöösse vabastatav. See tekitab n-tüüpi pooljuhi, nimetatud tema lisatud negatiivsete laengukandjate (vabade elektronide) järgi; doonor-lisandid ise jäävad paigale ja muutuvad positiivselt laetuks pärast oma üleliigse elektroni loovutamist, kuid voolu kannavad vabanenud elektronid, mitte fikseeritud ioonid.

Räniaatomi asendamine selle asemel aktseptor-lisandiga III rühmast, näiteks booriga (kolm valentselektroni), jätab ühest sidemest elektroni puudu — tühiku nimega auk. Auk ei ole sõna otseses mõttes osake, kuid käitub nagu üks: lähedalasuv valentselektron võib hüpata tühikusse, täites selle, kuid tekitades uue tühiku elektroni endisesse asukohta, seega migreerub auk sisuliselt läbi kristalli täpselt nagu liikuv positiivne laengukandja, suunas, mis on vastupidine tegelikult liikuvatele elektronidele. See tekitab p-tüüpi pooljuhi, nimetatud tema lisatud positiivsete laengukandjate järgi.

Kumbki dopeerimise tüüp iseenesest ei ole eriti tähelepanuväärne; pooljuhi dopeerimise tegelik jõud avaldub siis, kui n-tüüpi ja p-tüüpi piirkonnad kombineeritakse ühe kristalli sees. Nendevaheline liide — p-n liide — lubab voolul ühes suunas kergelt voolata ja blokeerib seda teises, moodustades dioodi, ning keerukamad dopeeritud piirkondade kombinatsioonid moodustavad transistore, lülituselemente, mis on peaaegu kõigi kaasaegsete digitaalelektroonikaseadmete südames.