Mikä on inhertsiivinen puolijohte?

Mikä on inheerminen semimetaali?

Inheerminen semimetaalin määritelmä

Semimetaali on materiaali, jonka johtavuus sijaitsee johtimateriaalien ja eristämateriaalien välissä. Kemiallisesti puhtaat, eli puhdas, semimetaalit, jotka ovat vapaana epäpuhtauksista, kutsutaan inheerminen semimetaaleiksi tai undopatuiksi semimetaaleiksi tai i-tyypin semimetaaleiksi. Yleisimmät inheerminen semimetaalit ovat silikoni (Si) ja germanium (Ge), jotka kuuluvat jaksollisen järjestelmän IV ryhmään. Si:n ja Ge:n atomiluvut ovat 14 ja 32, mikä antaa niille elektronikonfiguraation 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 ja 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 vastaavasti.

Molemmilla Si:llä ja Ge:llä on neljä ulkoisessa, eli valenssi, kuorellaan olevaa elektronia. Nämä valenssielektronit ovat vastuussa semimetaalien johtamisominaisuuksista.

Silikonin kristallirakenteen (se on sama myös germaniumille) kaksiulotteinen esitys on kuvassa 1. Siinä nähdään, että jokainen silikoniatomin valenssielektroni muodostaa kovalenttisen siteen viereisen silikoniatomin valenssielektronin kanssa.

Kovalenttisten sidosien muodostumisen jälkeen inheerminen semimetaaleissa puuttuvat vapaita varauskantajia, jotka ovat valenssielektronit. 0K:ssa valenssibandissa on täysi, ja johtobandissa tyhjä. Ei ole tarpeeksi energiaa, jotta valenssielektronit voisi ylittää kielletyn energiapuron, mikä tekee inheerminen semimetaaleista eristäjiä 0K:ssa.

Kuitenkin huoneenlämpötilassa termiset energia voi aiheuttaa muutamien kovalenttisten sidosten rikkoutumisen, mikä luo vapaita elektronit, kuten kuvassa 3a. Näin syntymässä olevat elektronit herää ja siirtyvät johtobandista valenssibandista, ylitäen energiasuuntauksen (kuva 2b). Tässä prosessissa jokainen elektroni jättää takanaan aukon valenssibandissa. Tällä tavoin luodut elektronit ja aukot kutsutaan inheerminen varauskantajiksi, jotka ovat vastuussa inheerminen semimetaalimateriaalin johtamisominaisuuksista.

Vaikka inheerminen semimetaalit voivat johtaa huoneenlämpötilassa, niiden johtavuus on alhainen vähäisten varauskantajien vuoksi. Kun lämpötila nousee, enemmän kovalenttisia sidoksia rikkoutuu, mikä luo enemmän vapaita elektronit. Nämä elektronit siirtyvät valenssibandista johtobandista, lisäämällä johtavuutta. Sähkönsiirtäjien (ni) määrä on aina yhtä suuri kuin aukoiden (pi) määrä inheerminen semimetaalissa.

Kun sähkökenttä sovelletaan tällaiseen inheerminen semimetaaliin, elektronien-ja-aukon parit voidaan saada liikkumaan sen vaikutuksesta. Tällöin elektronit liikkuvat sähkökentän päinvastaiseen suuntaan, kun taas aukot liikkuvat sähkökentän suuntaan, kuten kuvassa 3b. Tämä tarkoittaa, että elektronien ja aukojen liikkumissuunnat ovat keskenään päinvastaiset. Tämä johtuu siitä, että kun tietyn atomin elektroni liikkuu, esimerkiksi, vasemmalle, jättäen aukon paikalleen, viereisen atomin elektroni ottaa sen paikan yhdistymällä kyseiseen aukoon. Kuitenkin samalla se jättää uuden aukon paikalleen. Tätä voidaan nähdä aukkojen (tässä tapauksessa oikealle) liikkumisena semimetaalimateriaalissa. Nämä kaksi liikettä, vaikka ne olisivat päinvastaisia, johtavat kokonaisen virran virtaukseen semimetaalissa.

Matemaattisesti inheerminen semimetaalien varauskantajien tiheydet annetaan kaavalla

Tässä,

N c on tehokas tiheys tiloissa johtobandissa.

Nv on tehokas tiheys tiloissa valenssibandissa.

on Boltzmannin vakio.

T on lämpötila.

EF on Fermi-energia.

Ev merkitsee valenssibandin tasoa.

Ec merkitsee johtobandin tasoa.

on Planckin vakio.

mh on aukon tehokas massa.

me on elektronin tehokas massa.