Unsa ang Intrinsic Semiconductor?

Ano ang Intrinsic Semiconductor?

Pahayag ng Intrinsic Semiconductor

Ang semiconductor ay materyal na may konduktibidad na nasa gitna ng mga konduktor at insulator. Ang mga semiconductors na kimikal na malinis, o walang impurezas, ay tinatawag na Intrinsic Semiconductors o Undoped Semiconductor o i-type Semiconductor. Ang pinakakaraniwang intrinsic semiconductors ay ang Silicon (Si) at Germanium (Ge), na kabilang sa Group IV ng periodic table. Ang atomic numbers ng Si at Ge ay 14 at 32, na nagbibigay ng kanilang electronic configuration bilang 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 at 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respectively.

Ang parehong Si at Ge ay may apat na elektron sa kanilang pinakawalang shell, o valence shell. Ang mga valence electrons na ito ang responsable sa mga katangian ng konduksyon ng semiconductors.

Ang crystal lattice ng Silicon (pareho rin ito para sa Germanium) sa dalawang dimensyon ay ipinapakita sa Figure 1. Narito, makikita na ang bawat valence electron ng isang Si atom ay nagsasama sa valence electron ng kasunod na Si atom upang lumikha ng covalent bond.

Matapos mag-isa, ang mga intrinsic semiconductors ay kulang sa libreng charge carriers, na ang mga ito ay ang valence electrons. Sa 0K, ang valence band ay puno, at ang conduction band ay walang laman. Walang valence electrons ang may sapat na enerhiya upang lumampas sa forbidden energy gap, kaya ang mga intrinsic semiconductors ay gumagana bilang insulators sa 0K.

Gayunpaman, sa temperatura ng silid, ang thermal energy maaaring magdulot ng ilang covalent bonds na mabawi, kaya lumilikha ng libreng elektron tulad ng ipinapakita sa Figure 3a. Ang mga elektron na ito ay nabubuhay at lumilipat mula sa valence band papunta sa conduction band, na nanalo sa enerhiya barrier (Figure 2b). Sa prosesong ito, ang bawat elektron ay nag-iwan ng isang butas sa valence band. Ang mga elektron at butas na nalikha sa ganitong paraan ay tinatawag na intrinsic charge carriers at responsable sa mga katangian ng konduksyon na ipinakita ng intrinsic semiconductor material.

Bagama't ang mga intrinsic semiconductors ay maaaring magkonduktor sa temperatura ng silid, ang kanilang konduktibidad ay mababa dahil sa kaunti lang ng charge carriers. Habang tumaas ang temperatura, mas maraming covalent bonds ang bumabawi, kaya lumilikha ng mas maraming libreng elektron. Ang mga elektron na ito ay lumilipat mula sa valence band papunta sa conduction band, kaya tumaas ang konduktibidad. Ang bilang ng mga elektron (ni) ay laging kapareho ng bilang ng mga butas (pi) sa intrinsic semiconductor.

Sa pag-apply ng electric field sa ganitong intrinsic semiconductor, ang mga elektron-butas pairs ay maaaring mapag-isa sa ilalim ng epekto nito. Sa kaso na ito, ang mga elektron ay lumilipat sa direksyong kabaligtaran ng inilapat na field habang ang mga butas ay lumilipat sa direksyong ng electric field tulad ng ipinapakita sa Figure 3b. Ito ang nangangahulugan na ang direksyon kung saan lumilipat ang mga elektron at butas ay kabaligtaran. Ito ay dahil, habang ang isang elektron ng partikular na atom ay lumilipat pabor sa kaliwa, na nag-iwan ng isang butas sa lugar nito, ang elektron mula sa kalapit na atom ay okupado ang lugar nito sa pamamagitan ng recombination sa butas na iyon. Ngunit habang ginagawa ito, ito ay nag-iwan ng isa pang butas sa lugar nito. Ito ay maaaring tingnan bilang paglipat ng mga butas (sa kanan sa kaso na ito) sa semiconductor material. Ang dalawang paggalaw na ito, bagama't kabaligtaran sa direksyon, ay nagresulta sa kabuuang paglipat ng current sa semiconductor.

Mathematically, ang densidad ng charge carrier sa intrinsic semiconductors ay ibinibigay ng

Dito,

Nc ang effective densities of states sa conduction band.

Nv ang effective densities of states sa valence band.

k ang Boltzmann constant.

T ang temperatura.

EF ang Fermi energy.

Ev ang antas ng valence band.

Ec ang antas ng conduction band.

h ang Planck constant.

mh ang effective mass ng isang butas.

me ang effective mass ng isang elektron.