Какво е интраксичен полупроводник?

Какво е интрасен полупроводник?

Дефиниция на интрасен полупроводник

Полупроводник е материал, чиято проводимост се намира между тази на проводниците и изолаторите. Полупроводниците, които са химически чисти, т.е. без примеси, се наричат интрасни полупроводници или недопирани полупроводници или i-типа полупроводници. Най-често срещаните интрасни полупроводници са кремик (Si) и германий (Ge), които принадлежат към Група IV в периодичната таблица. Атомните номера на Si и Ge са 14 и 32, което дава техния електронен конфигурации като 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 и 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, съответно.

И Si, и Ge имат четири електрона в най-външната, или валентна, обвивка. Тези валентни електрони са отговорни за проводните свойства на полупроводниците.

Кристалната решетка на кремика (същата е и за германия) в двумерно изображение е показана на Фигура 1. Тук се вижда, че всеки валентен електрон на атома на Si се двойчи с валентния електрон на съседния атом на Si, за да образува ковалентна връзка.

След двойчене, интрасните полупроводници липсват свободни носители на заряд, които са валентните електрони. При 0K, валентната зона е пълна, а проводната зона е празна. Няма валентни електрони, които да имат достатъчно енергия, за да преодолеят забранената енергийна разлика, което прави интрасните полупроводници да действат като изолатори при 0K.

Однако, при стаяна температура, термичната енергия може да причини разкъсване на някои ковалентни връзки, пораждайки свободни електрони, както е показано на Фигура 3a. Създадените по този начин електрони се възбуждат и преминават от валентната зона в проводната, преодолявайки енергийната бариера (Фигура 2b). По време на този процес, всеки електрон оставя дупка в валентната зона. Електроните и дупките, създадени по този начин, се наричат интрасни носители на заряд и са отговорни за проводните свойства, проявени от интрасния полупроводников материал.

Въпреки че интрасните полупроводници могат да провеждат при стаяна температура, тяхната проводимост е ниска поради малкия брой носители на заряд. Когато температурата се увеличава, повече ковалентни връзки се разкъсват, пораждайки повече свободни електрони. Тези електрони се преместват от валентната зона в проводната, увеличавайки проводимостта. Броят на електроните (ni) винаги е равен на броя на дупките (pi) в интрасния полупроводник.

При приложение на електрическо поле върху такъв интрасен полупроводник, електрон-дупковите двойки могат да бъдат подтикнати да се движат под неговото влияние. В този случай, електроните се движат в посока, обратна на тази на приложено поле, докато дупките се движат в посока на електрическото поле, както е показано на Фигура 3b. Това означава, че посоките, в които се движат електроните и дупките, са взаимно противоположни. Това е така, защото, когато електрон от определен атом се движи, например, наляво, като оставя дупка на своето място, електронът от съседния атом заема неговото място, рекомбинирайки с тази дупка. Обаче, докато го прави, той ще остави още една дупка на своето място. Това може да се разглежда като движение на дупките (в случая, надясно) в полупроводниковия материал. Тези два движения, макар и противоположни по посока, водят до общ поток на тока през полупроводника.

Математически, плътността на носителите на заряд в интрасните полупроводници се дава от:

Тук,

Nc е ефективната плътност на състоянията в проводната зона.

Nv е ефективната плътност на състоянията в валентната зона.

k е болцмановата константа.

T е температурата.

EF е енергията на Ферми.

Ev указва нивото на валентната зона.

Ec указва нивото на проводната зона.

h е планковата константа.

mh е ефективната маса на дупката.

me е ефективната маса на електрона.