Hvad er en intrinsk halvleder?

Hvad er en intrinsisk halvleder?

Definition af intrinsisk halvleder

En halvleder er et materiale, hvis ledningsevne ligger mellem den af en leder og en isolator. Kemisk rene halvledere, dvs. uden forureninger, kaldes intrinsiske halvledere eller ukontaminerede halvledere eller i-type halvledere. De mest almindelige intrinsiske halvledere er Silicium (Si) og Germanium (Ge), som tilhører gruppe IV i periodensystem. Atomnummeret for Si og Ge er henholdsvis 14 og 32, hvilket giver deres elektronkonfiguration som 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 og 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, hhv.

Både Si og Ge har fire elektroner i deres yderste, eller valense, skal. Disse valenselektroner er ansvarlige for halvledernes ledningsegenskaber.

Kristallgitteret for Silicium (det er det samme for Germanium) i to dimensioner er vist i figur 1. Her ses, at hvert valenselektron fra et Si-atom parret med valenselektronet fra det nærliggende Si-atom for at danne en kovalent binding.

Efter pairingen mangler de intrinsiske halvledere frie ladningsbærere, nemlig valenselektronerne. Ved 0K er valensebåndet fuldt, og ledbåndet er tomt. Ingen valenselektroner har nok energi til at krydse det forbudte energiforskel, hvilket gør, at intrinsiske halvledere fungerer som isolatorer ved 0K.

Imidlertid ved rumtemperatur kan termisk energi forårsage, at nogle få kovalente bindinger brydes, hvilket genererer frie elektroner, som vist i figur 3a. De således opståede elektroner bliver opmuntrede og flytter sig fra valensebåndet til ledbåndet, overkommer energibarrieren (figur 2b). Under denne proces efterlader hvert elektron et hulrum i valensebåndet. De elektroner og hulrum, der opstår på denne måde, kaldes intrinsiske ladningsbærere og er ansvarlige for de ledegenskaber, som det intrinsiske halvledermateriale viser.

Selvom intrinsiske halvledere kan lede ved rumtemperatur, er deres ledningsevne lav pga. de få ladningsbærere. Når temperaturen stiger, brydes flere kovalente bindinger, hvilket genererer flere frie elektroner. Disse elektroner flytter sig fra valensebåndet til ledbåndet, hvilket øger ledningsevnen. Antallet af elektroner (ni) er altid lig antallet af hulrum (pi) i den intrinsiske halvleder.

Når et elektrisk felt anvendes på en sådan intrinsk halvleder, kan elektron-hulrum-par gøres til at drifte under dets indflydelse. I dette tilfælde bevæger elektroner sig i den modsatte retning af det anvendte felt, mens hulrum bevæger sig i retningen af det elektriske felt, som vist i figur 3b. Dette betyder, at retningen, hvori elektroner og hulrum bevæger sig, er gensidigt modsat. Dette skyldes, at når et elektron fra et bestemt atom bevæger sig mod venstre, ved at efterlade et hulrum på sin plads, vil elektronet fra det nærliggende atom tage dens plads ved at genkoble med det hulrum. Imidlertid vil det have efterladt et andet hulrum på sin plads. Dette kan ses som bevægelsen af hulrum (mod højre i dette tilfælde) i halvledermaterialet. Disse to bevægelser, selvom de er modsat rettet, resulterer i den totale strøm, der flyder gennem halvlederen.

Matematisk er ladningsbærertæthederne i intrinsiske halvledere givet ved

Her,

Nc er effektive tætheder af tilstande i ledbåndet.

Nv er effektive tætheder af tilstande i valensebåndet.

er Boltzmann-konstanten.

T er temperaturen.

EF er Fermi-energien.

Ev angiver niveauet for valensebåndet.

Ec angiver niveauet for ledbåndet.

er Planck-konstanten.

mh er effektiv masse for et hulrum.

me er effektiv masse for et elektron.