Co je intrinzní polovodič?

Co je intrinzní polovodič?

Definice intrinzního polovodiče

Polovodič je materiál, jehož vodivost leží mezi vodivostí vodičů a izolátorů. Chemicky čisté polovodiče, tedy bez příměsí, se nazývají intrinzní polovodiče nebo nedopované polovodiče nebo i-typ polovodiče. Nejčastějšími intrinzními polovodiči jsou křemík (Si) a germanium (Ge), které patří do skupiny IV periodické tabulky. Atomové číslo Si a Ge je 14 a 32, což dává jejich elektronovou konfiguraci jako 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 a 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, v tomto pořadí.

Oba, Si a Ge, mají ve své vnější, nebo valenční, slupce čtyři elektrony. Tyto valenční elektrony jsou zodpovědné za vodivé vlastnosti polovodičů.

Křemíková krystalová mřížka (stejně tak i pro germanium) v dvourozměrném zobrazení je znázorněna na obrázku 1. Zde je vidět, že každý valenční elektron atomu Si spolu s valenčním elektronem sousedního atomu Si tvoří kovalentní vazbu.

Po párování intrinzní polovodiče chybí volné nosiče náboje, kterými jsou valenční elektrony. Při 0K je valenční pásmo plné a vodivé pásmo prázdné. Žádný z valenčních elektronů nemá dostatečnou energii, aby překonal zakázanou energetickou mez, což způsobuje, že intrinzní polovodiče působí jako izolátory při 0K.

Nicméně, při pokojové teplotě může tepelná energie způsobit, že několik kovalentních vazeb praskne, čímž vznikají volné elektrony, jak je znázorněno na obrázku 3a. Elektrony, které se takto vygenerují, se nadchnou a přesunou z valenčního pásma do vodivého pásma, překonávají energetickou bariéru (Obrázek 2b). Během tohoto procesu každý elektron zanechává díru v valenčním pásme. Elektrony a díry, které se takto vytvářejí, se nazývají intrinzní nosiče náboje a jsou zodpovědné za vodivé vlastnosti, které ukazuje intrinzní polovodičový materiál.

Ačkoli intrinzní polovodiče mohou vodit při pokojové teplotě, jejich vodivost je nízká kvůli malému počtu nosičů náboje. S rostoucí teplotou se rozpadne více kovalentních vazeb, což vede k vytvoření více volných elektronů. Tyto elektrony se přesouvají z valenčního pásma do vodivého pásma, což zvyšuje vodivost. Počet elektronů (ni) vždy odpovídá počtu dír (pi) v intrinzním polovodiči.

Při aplikaci elektrického pole na takový intrinzní polovodič se elektron-díra páry mohou pohnout pod jeho vlivem. V tomto případě se elektrony pohybují proti směru aplikovaného pole, zatímco díry se pohybují ve směru elektrického pole, jak je znázorněno na obrázku 3b. To znamená, že směr, kterým se elektrony a díry pohybují, je vzájemně opačný. Toto je proto, že když se elektron určitého atomu pohne, řekněme, doleva, a zanechá díru na svém místě, elektron ze sousedního atomu zabere jeho místo spojením s touto dírou. Nicméně, když to udělá, zanechá další díru na svém místě. Toto lze chápat jako pohyb dír (v tomto případě doprava) v polovodičovém materiálu. Tyto dva pohyby, ačkoli jsou opačné, vedou k celkovému toku proudu skrz polovodič.

Matematicky jsou hustoty nosičů náboje v intrinzních polovodičích dány vztahem

Zde,

Nc je efektivní hustota stavů v vodivém pásmu.

Nv je efektivní hustota stavů v valenčním pásmu.

k je Boltzmannova konstanta.

T je teplota.

EF je Fermiova energie.

Ev označuje úroveň valenčního pásma.

Ec označuje úroveň vodivého pásma.

h je Planckova konstanta.

mh je efektivní hmotnost díry.

me je efektivní hmotnost elektronu.