Wat is 'n Intrinsic Semiconductor?

Wat is 'n Intrinsic Halwegeleer?

Definisie van 'n Intrinsic Halwegeleer

'n Halwegeleer is 'n materiaal waarvan die geleidingsvermoë tussen dié van geleiders en isolators lê. Halwegeleers wat chemies puur is, dit wil sê vry van onreinheid, word Intrinsic Halwegeleers, Ongedope Halwegeleers of i-tipe Halwegeleers genoem. Die mees algemene intrinsic halwegeleers is Silikon (Si) en Germanium (Ge), wat tot Groep IV van die periodieke tabel behoort. Die atoomnommers van Si en Ge is 14 en 32, wat hul elektroniese konfigurasies as 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 en 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 respektiewelik oplewer.

Sowel Si as Ge het vier elektrone in hul uiterste, of valens, skil. Hierdie valenselektrone is verantwoordelik vir die geleidings eienskappe van die halwegeleers.

Die kristalrooster van Silikon (dit is dieselfde vir Germanium) in twee dimensies is soos in Figuur 1 getoon. Hier word gesien dat elke valenselektron van 'n Si-atoom paar met die valenselektron van die naaste Si-atoom om 'n kovalente bind te vorm.

Na paaring het intrinsic halwegeleers geen vrye laaddragers, wat die valenselektrone is, nie. By 0K is die valensband vol, en die geleidingsband leeg. Geen valenselektrone het genoeg energie om die verbodenergiegat oor te steek, wat beteken dat intrinsic halwegeleers as isolators by 0K funksioneer.

Tog, by kamertemperatuur kan die termiese energie 'n paar van die kovalente binne breuk veroorsaak, en dus vrye elektrone generasie soos in Figuur 3a getoon. Die gegenereerde elektrone word opgewonde en beweeg na die geleidingsband vanaf die valensband, deur die energiebarrière te oorkom (Figuur 2b). Tydens hierdie proses laat elke elektron 'n gat in die valensband agter. Die elektrone en gate wat op hierdie manier geskep word, word intrinsic laaddragers genoem en is verantwoordelik vir die geleidende eienskappe wat deur die intrinsic halwegeleermateriaal vertoon word.

Alhoewel intrinsic halwegeleers by kamertemperatuur kan geleid, is hul geleidingsvermoë laag as gevolg van die min laaddragers. Wanneer die temperatuur styg, breek meer kovalente binne, wat meer vrye elektrone generasie. Hierdie elektrone beweeg van die valensband na die geleidingsband, wat die geleidingsvermoë verhoog. Die aantal elektrone (ni) is altyd gelyk aan die aantal gate (pi) in die intrinsic halwegeleer.

Wanneer 'n elektriese veld op so 'n intrinsic halwegeleer aangebring word, kan die elektron-gatpare onder sy invloed gedrif word. In hierdie geval beweeg die elektrone in die teenoorgestelde rigting van die toegepasde veld, terwyl die gate in die rigting van die elektriese veld beweeg soos in Figuur 3b getoon. Dit beteken dat die rigting waarin die elektrone en gate beweeg, muite teenoorstaande is. Dit is omdat, wanneer 'n elektron van 'n spesifieke atoom, sê links, beweeg deur 'n gat in sy plek agter te laat, die elektron van die naaste atoom sy plek inneem deur met daardie gat te hergroeper. Terwyl dit doen, sou dit egter een meer gat in sy plek agterlaat. Dit kan beskou word as die beweging van die gate (na regs in hierdie geval) in die halwegeleermateriaal. Hierdie twee bewegings, alhoewel teenoorstaande in rigting, lei tot die totale stroomvloei deur die halwegeleer.

Wiskundig word die laaddragersdigtheid in intrinsic halwegeleers gegee deur

Hier,

Nc is die effektiewe digtheid van toestande in die geleidingsband.

Nv is die effektiewe digtheid van toestande in die valensband.

is die Boltzmann-konstante.

T is die temperatuur.

EF is die Fermi-energie.

Ev dui die vlak van die valensband aan.

Ec dui die vlak van die geleidingsband aan.

is die Planck-konstante.

mh is die effektiewe massa van 'n gat.

me is die effektiewe massa van 'n elektron.