Què és un semiconductor intrínsec?
Què és un Semiconducteur Intrínsec?
Definició de Semiconducteur Intrínsec
Un semiconducteur és un material la conductivitat del qual es troba entre la dels conductors i la dels aïllants. Els semiconductors que són químicament purs, és a dir, lliures d'impuretes, s'anomenen Semiconductors Intrínsecs o Semiconductors Sense Dopar o Semiconductors de tipus i. Els semiconductors intrínsecs més comuns són el Sílici (Si) i el Germani (Ge), que pertanyen al Grup IV de la taula periòdica. Els números atòmics de Si i Ge són 14 i 32, respectivament, amb una configuració electrònica de 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 i 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.
Tant el Si com el Ge tenen quatre electrons en la seva capa més externa, o capa de valència. Aquests electrons de valència són els responsables de les propietats de conducció dels semiconductors.
La xarxa cristal·lina del Sílici (és la mateixa per al Germani) en dues dimensions es mostra a la Figura 1. Aquí es veu que cada electron de valència d'un àtom de Si es parella amb l'electron de valència de l'àtom de Si adjacent per formar un enllaç covalent.
Després de la parellatge, els semiconductors intrínsecs manquen de portadors de càrrega lliures, que són els electrons de valència. A 0K, la banda de valència està plena i la banda de conducció buida. Cap electron de valència té prou energia per creuar la zona prohibida d'energia, fent que els semiconductors intrínsecs actuen com aïllants a 0K.
No obstant això, a temperatura ambient, l'energia tèrmica pot fer que algunes dels enllaços covalents es trencin, generant electrons lliures com es mostra a la Figura 3a. Aquests electrons es desperten i passen de la banda de valència a la banda de conducció, superant la barreira d'energia (Figura 2b). En aquest procés, cada electron deixa un forat a la banda de valència. Els electrons i forats creats d'aquesta manera s'anomenen portadors de càrrega intrínsecs i són responsables de les propietats conductives exhibides pel material del semiconducteur intrínsec.
Encara que els semiconductors intrínsecs poden conduir a temperatura ambient, la seva conductivitat és baixa degut als pocs portadors de càrrega. Quan la temperatura augmenta, més enllaços covalents es trencen, generant més electrons lliures. Aquests electrons passen de la banda de valència a la banda de conducció, augmentant la conductivitat. El nombre d'electrons (ni) sempre és igual al nombre de forats (pi) en el semiconducteur intrínsec.
En aplicar un camp elèctric a un semiconducteur intrínsec, les parelles electron-forat es poden fer desplaçar sota la seva influència. En aquest cas, els electrons es mouen en la direcció oposada al camp aplicat, mentre que els forats es mouen en la direcció del camp elèctric, com es mostra a la Figura 3b. Això significa que la direcció en què es mouen els electrons i els forats són mutuament oposades. Això és degut al fet que, quan un electron d'un àtom particular es mou cap a l'esquerra, deixant un forat en el seu lloc, l'electron del àtom veí ocupa el seu lloc recombinant-se amb aquest forat. Tot i això, en fer-ho, hauria deixat un altre forat en el seu lloc. Això es pot veure com el moviment dels forats (cap a la dreta en aquest cas) en el material del semiconducteur. Aquests dos moviments, encara que oposats en direcció, resulten en el flux total de corrent a través del semiconducteur.
Matemàticament, les densitats de portadors de càrrega en semiconductors intrínsecs es donen per
Aquí,
Nc és la densitat efectiva d'estats a la banda de conducció.
Nv és la densitat efectiva d'estats a la banda de valència.
k és la constant de Boltzmann.
T és la temperatura.
EF és l'energia de Fermi.
Ev indica el nivell de la banda de valència.
Ec indica el nivell de la banda de conducció.
h és la constant de Planck.
mh és la massa efectiva d'un forat.
me és la massa efectiva d'un electron.
