Ano ang Intrinsic Semiconductor?

Ano ang Intrinsic Semiconductor?

Pangalanan ng Intrinsic Semiconductor

Ang semiconductor ay isang materyal na may konduktibidad na nasa gitna ng mga konductor at insulator. Ang mga semiconductor na kimikal na malinis, ibig sabihin walang impurities, ay tinatawag na Intrinsic Semiconductors o Undoped Semiconductor o i-type Semiconductor. Ang pinakakaraniwang intrinsic semiconductors ay ang Silicon (Si) at Germanium (Ge), na kabilang sa Group IV ng periodic table. Ang atomic numbers ng Si at Ge ay 14 at 32, na nagbibigay ng kanilang electronic configuration bilang 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 at 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respectively.

Ang parehong Si at Ge ay may apat na elektron sa kanilang pinakamalapit na, o valence, shell. Ang mga valence electrons na ito ang responsable sa mga katangian ng konduksyon ng semiconductors.

Ang crystal lattice ng Silicon (ito ay pareho rin para sa Germanium) sa dalawang dimensyon ay tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Dito makikita na bawat valence electron ng isang Si atom ay magkakasama sa valence electron ng adjacent Si atom upang bumuo ng covalent bond.

Matapos ang pairing, ang mga intrinsic semiconductors ay kulang sa free charge carriers, na ang mga ito ay ang valence electrons. Sa 0K, ang valence band ay puno, at ang conduction band ay walang laman. Walang valence electrons ang may sapat na enerhiya upang lumampas sa forbidden energy gap, kaya ang intrinsic semiconductors ay gumagana bilang insulators sa 0K.

Gayunpaman, sa temperatura ng silid, ang thermal energy maaaring maging sanhi ng ilang covalent bonds na mabuwag, kaya nag-generate ng free electrons tulad ng ipinapakita sa Figure 3a. Ang mga elektron na nabuo ay nagsimulang umexcite at lumipat sa conduction band mula sa valence band, na nakatali sa energy barrier (Figure 2b). Sa prosesong ito, bawat elektron ay nag-iwan ng isang butas sa valence band. Ang mga elektron at butas na nabuo sa paraang ito ay tinatawag na intrinsic charge carriers at responsable sa mga katangian ng konduksyon na ipinakikita ng intrinsic semiconductor material.

Bagama't ang mga intrinsic semiconductors ay maaaring magkonduktor sa temperatura ng silid, ang kanilang konduktibidad ay mababa dahil sa kaunti lang ang mga charge carriers. Habang tumaas ang temperatura, mas maraming covalent bonds ang bubuwal, na nag-generate ng mas maraming free electrons. Ang mga elektron na ito ay lumilipat mula sa valence band patungo sa conduction band, na nagpapataas ng konduktibidad. Ang bilang ng mga elektron (ni) ay palaging katumbas ng bilang ng mga butas (pi) sa intrinsic semiconductor.

Sa pag-apply ng electric field sa ganitong intrinsic semiconductor, ang mga electron-hole pairs ay maaaring mapagpalit sa ilalim ng epekto nito. Sa kasong ito, ang mga elektron ay lumilipat sa direksyon na kabaligtaran ng inilapat na field samantalang ang mga butas ay lumilipat sa direksyon ng electric field tulad ng ipinapakita sa Figure 3b. Ito ay nangangahulugan na ang direksyon kung saan lumilipat ang mga elektron at butas ay kabaligtaran. Ito ay dahil, habang ang isang elektron ng isang partikular na atom ay lumilipat pabor sa kaliwa, naiwan ang isang butas sa lugar nito, ang elektron mula sa kapitbahay na atom ay okupado ang lugar nito sa pamamagitan ng recombination sa butas na iyon. Ngunit habang ginagawa ito, ito ay naiwan ng isa pang butas sa lugar nito. Ito ay maaaring tingnan bilang paggalaw ng mga butas (sa kanan sa kasong ito) sa semiconductor material. Ang dalawang paggalaw na ito, bagama't kabaligtaran sa direksyon, ay nagresulta sa kabuuang paggalaw ng current sa semiconductor.

Matematikal ang densidad ng charge carrier sa intrinsic semiconductors ay ibinibigay ng

Dito,

N c ay ang effective densities of states sa conduction band.

Nv ay ang effective densities of states sa valence band.

ay ang Boltzmann constant.

T ang temperatura.

EF ang Fermi energy.

Ev ang level ng valence band.

Ec ang level ng conduction band.

ay ang Planck constant.

mh ang effective mass ng isang butas.

me ang effective mass ng isang elektron.