Τι είναι η Φυσική Πολυσύνδεση;

Τι είναι ένας Εγγενής Πολυσύνδεσμος;

Ορισμός του Εγγενούς Πολυσυνδέτη

Ο πολυσύνδεσμος είναι ένα υλικό με συνεκτικότητα μεταξύ αυτών των διαχωριστών και των απομονωτών. Οι πολυσύνδεσμοι που είναι χημικά καθαροί, δηλαδή χωρίς εκτρώματα, ονομάζονται Εγγενείς Πολυσύνδεσμοι ή Ανεπεξεργασμένοι Πολυσύνδεσμοι ή i-τύποι Πολυσύνδεσμοι. Οι πιο κοινοί εγγενείς πολυσύνδεσμοι είναι το Κιτρίνιο (Si) και το Γερμανίου (Ge), τα οποία ανήκουν στην Ομάδα IV του περιοδικού πίνακα. Τα ατομικά αριθμό του Si και Ge είναι 14 και 32, που οδηγούν στην ηλεκτρονική τους διάταξη ως 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 και 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 αντίστοιχα.

Και το Si και το Ge έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στον εξωτερικό, ή βαλεντικό, φάκελο. Αυτά τα βαλεντικά ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για τις ιδιότητες συνεκτικότητας των πολυσυνδέτων.

Η κρυσταλλική δομή του Κιτρινίου (είναι η ίδια ακόμη και για το Γερμανίου) σε δύο διαστάσεις είναι όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Εδώ βλέπουμε ότι κάθε βαλεντικό ηλεκτρόνιο ενός ατόμου Si ζευγοποιείται με το βαλεντικό ηλεκτρόνιο του πλησιέστερου ατόμου Si για να σχηματίσει έναν συνδετικό δεσμό.

Μετά τη ζευγοποίηση, οι εγγενείς πολυσύνδεσμοι έχουν έλλειψη ελεύθερων φορέων φορτίου, τα οποία είναι τα βαλεντικά ηλεκτρόνια. Στο 0K, η βαλεντική ζώνη είναι γεμάτη, ενώ η ζώνη συνεκτικότητας είναι άδεια. Δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να διασχίσουν το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα, κάνοντας τους εγγενείς πολυσύνδεσμους να λειτουργούν ως απομονωτές στο 0K.

Ωστόσο, στη θερμοκρασία του δωματίου, η θερμική ενέργεια μπορεί να προκαλέσει τη διάλυση μερικών συνδετικών δεσμών, δημιουργώντας έτσι ελεύθερα ηλεκτρόνια όπως φαίνεται στο Σχήμα 3a. Τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται ενθαρρύνονται και μετακινούνται στη ζώνη συνεκτικότητας από τη βαλεντική ζώνη, ξεπερνώντας το ενεργειακό εμπόδιο (Σχήμα 2b). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, κάθε ηλεκτρόνιο αφήνει ένα κενό στη βαλεντική ζώνη. Τα ηλεκτρόνια και τα κενά που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται εγγενείς φορείς φορτίου και είναι υπεύθυνα για τις συνεκτικές ιδιότητες που επιδεικνύει το υλικό εγγενούς πολυσυνδέτη.

Αν και οι εγγενείς πολυσύνδεσμοι μπορούν να συνεκτικοποιούνται στη θερμοκρασία του δωματίου, η συνεκτικότητά τους είναι χαμηλή λόγω των λίγων φορέων φορτίου. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, διαλύονται περισσότεροι συνδετικοί δεσμοί, δημιουργώντας περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη βαλεντική ζώνη στη ζώνη συνεκτικότητας, αυξάνοντας τη συνεκτικότητα. Το πλήθος των ηλεκτρονίων (ni) είναι πάντα ίσο με το πλήθος των κενών (pi) στον εγγενή πολυσύνδεσμο.

Όταν εφαρμόζεται ένας ηλεκτρικός πεδίο σε τέτοιον εγγενή πολυσύνδεσμο, τα ζευγάρια ηλεκτρόνιο-κενό μπορούν να εκτοπιστούν υπό την επιρροή του. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε αντίθετη κατεύθυνση από το εφαρμοσμένο πεδίο, ενώ τα κενά κινούνται στην κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου όπως φαίνεται στο Σχήμα 3b. Αυτό σημαίνει ότι η κατεύθυνση που κινούνται τα ηλεκτρόνια και τα κενά είναι αμοιβαία αντίθετη. Αυτό συμβαίνει επειδή, όταν ένα ηλεκτρόνιο ενός συγκεκριμένου ατόμου κινείται, παραδείγματος χάρη, προς τα αριστερά, αφήνοντας ένα κενό στη θέση του, το ηλεκτρόνιο του γειτονικού ατόμου καταλαμβάνει τη θέση του επανασυνδέοντας με αυτό το κενό. Ωστόσο, κάνοντας αυτό, θα έχει αφήσει ένα άλλο κενό στη θέση του. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως η κίνηση των κενών (προς τα δεξιά σε αυτή την περίπτωση) στο υλικό πολυσύνδεσμου. Αυτές οι δύο κινήσεις, αν και αντίθετες σε κατεύθυνση, αποτελούν την ολική ροή ρεύματος μέσω του πολυσυνδέτη.

Μαθηματικά, οι πυκνότητες των φορέων φορτίου σε εγγενείς πολυσύνδεσμους δίνονται από

Εδώ,

Nc είναι οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων στη ζώνη συνεκτικότητας.

Nv είναι οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων στη βαλεντική ζώνη.

είναι η σταθερά Boltzmann.

T είναι η θερμοκρασία.

EF είναι η ενέργεια Fermi.

Ev δείχνει το επίπεδο της βαλεντικής ζώνης.

Ec δείχνει το επίπεδο της ζώνης συνεκτικότητας.

είναι η σταθερά Planck.

mh είναι το αποτελεσματικό μάζα ενός κενού.

me είναι το αποτελεσματικό μάζα ενός ηλεκτρονίου.