מהו מוליך פנימי?

מהו מוליך פנימי?

הגדרת מוליך פנימי

מוליך הוא חומר שסגולות ההולכה שלו נמצאות בין אלה של מוליכים לבין אלה של מבודדים. מוליכים שהם טהורים כימית, כלומר חופשיים מהזיהומים, מכונים מוליכים פנימיים או מוליכים לא-מעובדים או מוליכים מסוג i. המוליכים הפנימיים הנפוצים ביותר הם סיליקון (Si) וג'רמניום (Ge), שנמצאים בקבוצה IV בטבלה המחזורית. מספרי האטומים של Si ו-Ge הם 14 ו-32, בהתאמה, מה שהופך את התצורה האלקטרונית שלהם ל-1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 ו-1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, בהתאמה.

ל-Si ול-Ge יש ארבעה אלקטרונים בעורק החיצוני, או בעורק הערכתי, שלהם. אלקטרונים אלו אחראים על תכונות ההולכה של המוליכים.

רשת 결정 של סיליקון (זה אותו הדבר גם עבור ג'רמניום) בשני ממדים מוצגת בתמונה 1. כאן רואים שכל אלקטרון ערכתי של אטום Si מת Gors with the valence electron of the adjacent Si atom to form a covalent bond.

לאחר הקישוט, מוליכים פנימיים חסרים נושאי מטען חופשיים, שהם אלקטרונים ערכתיים. ב-0K, הרציף הערכתי מלא והרציף המוליך ריק. לאף אחד מהאלקטרונים הערכתיים אין מספיק אנרגיה לעבור את הפער האנרגטי האסור, מה שמגלה במוליכים פנימיים התנהגות של מבודדים ב-0K.

עם זאת, בטמפרטורת החדר, האנרגיה הטרמית יכולה לגרום לפיצוץ חלק מהקשרים הקואולנטיים, ובכך ליצור אלקטרונים חופשיים כפי שמוצג בתמונה 3a. האלקטרונים שנוצרים כך מתלהטים ועפים מהרציף הערכתי לרציף המוליך, תוך כדיגברת מחסום האנרגיה (תמונה 2b). במהלך תהליך זה, כל אלקטרון משאיר מאחור חור ברציף הערכתי. האלקטרונים והחורים שנוצרים בדרך זו מכונים נושאי מטען פנימיים והם אחראיים לתכונות ההולכה שמפגינים חומרים מוליכים פנימיים.

אם כי מוליכים פנימיים יכולים להוליך בטמפרטורת החדר, הסגולות ההולכת שלהם נמוכה בשל מספר הנושאים המטענים הקטן. ככל שהטמפרטורה עולה, יותר קשרים קואולנטיים מתפרקים, ומייצרים יותר אלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו עוברים מהרציף הערכתי לרציף המוליך, ומשפרים את הסגולות ההולכת. מספר האלקטרונים (ni) תמיד שווה למספר החורים (pi) במוליך פנימי.

כאשר מפעילים שדה חשמלי על מוליך פנימי כזה, ניתן לגרום לנשאי מטען לקפוץ תחת השפעתו. במקרה זה, האלקטרונים נעים בכיוון הפוך לזה של השדה המוחלט בעוד שהחורים נעים בכיוון השדה החשמלי, כפי שמוצג בתמונה 3b. זה אומר שהכיוון בו נעים האלקטרונים והחורים הוא מנוגד. זה בגלל שכאשר אלקטרון של אטום מסוים נע比如说，当一个原子的电子向左移动时，它会在原来的位置留下一个空穴，而邻近原子的电子会占据这个位置并与该空穴重组。然而，在这样做时，它又会在自己的位置上留下一个新的空穴。这可以被视为半导体材料中空穴（在这种情况下是向右）的运动。这两个方向相反的运动共同导致了通过半导体的总电流流动。 请注意，以上段落中的部分翻译内容出现了错误，正确的希伯来语翻译应为：

כאשר מפעילים שדה חשמלי על מוליך פנימי כזה, ניתן לגרום לזוגות אלקטרון-חור לקפוץ תחת השפעתו. במקרה זה, האלקטרונים נעים בכיוון הפוך לזה של השדה המוחלט בעוד שהחורים נעים בכיוון השדה החשמלי, כפי שמוצג בתמונה 3b. זה אומר שהכיוון בו נעים האלקטרונים והחורים הוא מנוגד. זה בגלל שכאשר אלקטרון של אטום מסוים נע, למשל, שמאלה, הוא משאיר חור במקוםו, ואלקטרון מהאטום השכן מת Lafetach lemakom be'ezrat hazeh chor. Aval be'asot ken, hu yatzar chor yoter bemakomo. Zeh yechol lerayot kipitui hachorim (be'etzem l'yamin ba'makom hazeh) b'chomer hamulich. Shnay pitui'im ele, af sh'heneh nimshachim bekivun noga, mesaprim al hatokaf kollet shel hakaria b'chomer hamulich.

מתמטית צפיפות נשאי המטען במוליכים פנימיים ניתנת על ידי

כאן,

Nc היא הצפיפות האפקטיבית של מצבים ברציף המוליך.

Nv היא הצפיפות האפקטיבית של מצבים ברציף הערכתי.

k היא קבוע בולצמן.

T היא הטמפרטורה.

EF היא האנרגיה של פרמי.

Ev מסמנת את הרמה של הרציף הערכתי.

Ec מסמנת את הרמה של הרציף המוליך.

h היא קבוע פלאנק.

mh היא המסה האפקטיבית של חור.

me היא המסה האפקטיבית של אלקטרון.