Mis on intriinseid semikontsid?

Mis on Intrinsic Semiconductor?

Intrinsic Semiconductor määratlus

Semitokk on materjal, mille johtavus on vaheliselt johtivaid ja eristavaid materjale. Kemiiliselt puhtad, st segamaineeta semitokid nimetatakse Intrinsic Semiconductorksi või Undoped Semiconductorksi või i-type Semiconductorksi. Kõige levinumad intrinsic semiconductoriid on silitsium (Si) ja germaanium (Ge), mis kuuluvad perioodilise tabeli IV gruppi. Si ja Ge atoomiarvud on vastavalt 14 ja 32, mis annab nende elektronkonfiguratsioonid kui 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 ja 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Nii Si kui ka Ge-l on neljas elektron väliskihis, või valentsikihis. Need valentsielektronid on vastutavad semitokide johtmisomaduste eest.

Silitsiumi kristallristik (see on sama ka germaaniumi puhul) kaksdimensiooniliselt on näha Joonisel 1. Siin näha, et iga Si atoomi valentsielektron paaritakse naaber Si atoomi valentsielektroniga, moodustades kovalentse side.

Paaritud intrinsic semiconductoriidel puudub vabad laengutajad, mis on valentsielektronid. Temperatuuril 0K on valentsikiht täis, ja johtmiskiht tühi. Valentsielektronidel ei ole piisavat energiat, et ületada keelatud energiavaiku, mistõttu intrinsic semiconductoriid käituvad 0K temperatuuril nagu eristavad materjalid.

Kuid ruumi temperatuuril võib soojuseenergia põhjustada mõnede kovalentssete side lõhkumise, tekitades vabad elektronid, nagu näidatud Joonisel 3a. Nii genereeritud elektronid jäävad eksiteerituks ja liiguvad valentsikihist johtmiskihti, ületades energiabarjääri (Joonis 2b). Selle protsessi käigus jätab iga elektron tühjuse valentsikihis. Sellisel viisil loodud elektronid ja tühjused nimetatakse intrinsic laengutajateks ja neid vastutatakse intrinsic semiconductori materiaali johtmise omaduste eest.

Vaatamata sellele, et intrinsic semiconductoriid saavad joosta ruumi temperatuuril, nende joostavus on madal, kuna laengutajaid on vähe. Kui temperatuur kasvab, lõhkuvad rohkem kovalentsed sidemed, tekitades rohkem vabad elektronid. Need elektronid liiguvad valentsikihist johtmiskihti, suurendades joostavust. Elektronide arv (ni) on alati võrdne tühjuste arvuga (pi) intrinsic semiconductoris.

Sellisele intrinsic semiconductoriile rakendatud elektrivälja mõju all võivad elektron-tühjuse paarid langeda. Sel juhul liiguvad elektronid vastupidises suunas kui rakendatud välja, samas kui tühjused liiguvad elektrivälja suunas, nagu näidatud Joonisel 3b. See tähendab, et elektronide ja tühjuste liikumissuunad on vastastikuses vastanduses. See on sellega seotud, et kui mingi atoomi elektron liigub, näiteks vasakule, jätes tühjuse oma kohal, siis naaber atoomi elektron võtab selle koha, uuesti kombineerides selle tühjusega. Kuid see tegevus jätab uue tühjuse naaber atoomi kohal. See võib vaadelda tühjuste liikumisena (paremale selles näites) semitokimaterjalis. Need kaks liikumist, olenemata sellest, et need on vastastikuses vastanduses, tulemusena on semitoki kaudu kogujoontäis vool.

Matemaatiliselt on intrinsic semiconductoriidese laengutaja tihedused antud valemiga:

Siin,

Nc on johtmiskihi efektiivne olekusidete tihedus.

Nv on valentsikihi efektiivne olekusidete tihedus.

on Boltzmanni konstant.

T on temperatuur.

EF on Fermi energia.

Ev tähistab valentsikihi taseme.

Ec tähistab johtmiskihi taseme.

on Plancki konstant.

mh on tühjuse efektiivne mass.

me on elektroni efektiivne mass.