Što je intrinzični poluprovodnik

Što je intrinzični poluprovodnik?

Definicija intrinzičnog poluprovodnika

Poluprovodnik je materijal čija provodljivost leži između provodljivosti provodnika i dielektrika. Poluprovodnici koji su kemijski čisti, odnosno slobodni od zagađenja, nazivaju se intrinzični poluprovodnici ili nedopirani poluprovodnici ili i-tip poluprovodnici. Najčešći intrinzični poluprovodnici su Kiselik (Si) i Germanij (Ge), koji pripadaju IV skupini periodnog sustava. Atomski brojevi Si i Ge su 14 i 32, što daje njihovu elektronsku konfiguraciju kao 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 i 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, redom.

Oba, Si i Ge, imaju četiri elektrona u svojoj najvanjeljem, odnosno valentnom, ljusci. Ti valentni elektroni su odgovorni za provodne osobine poluprovodnika.

Kristalna rešetka kisika (isto vrijedi i za germanij) u dvije dimenzije prikazana je na slici 1. Vidi se da svaki valentni elektron atoma Si parira sa valentnim elektronom susjednog atoma Si kako bi formirao kovalentnu vezu.

Nakon pariranja, intrinzični poluprovodnici nemaju slobodne nositelje naboja, a to su valentni elektroni. Na temperaturi od 0K, valentni pojas je pun, a provodni pojas prazan. Nijedan valentni elektron nema dovoljno energije da pređe zabranjeni energetski razmak, što čini da intrinzični poluprovodnici djeluju kao dielektrici na 0K.

Međutim, na sobnoj temperaturi, termalna energija može uzrokovati da se nekoliko kovalentnih veza prekine, stvarajući slobodne elektrone kao što je prikazano na slici 3a. Elektroni generirani na taj način oponašaju se i prelaze iz valentnog pojasa u provodni pojas, prevladavajući energetsku barijeru (slika 2b). Tijekom ovog procesa, svaki elektron ostavlja rupu u valentnom pojasu. Elektroni i rupe stvorene na taj način nazivaju se intrinzični nositelji naboja i odgovorni su za provodne osobine koje intrinzični poluprovodnički materijal pokazuje.

Iako intrinzični poluprovodnici mogu provoditi na sobnoj temperaturi, njihova provodljivost je niska zbog malog broja nositelja naboja. S porastom temperature, više kovalentnih veza se prekida, generirajući više slobodnih elektrona. Ovi elektroni prelaze iz valentnog pojasa u provodni pojas, povećavajući provodljivost. Broj elektrona (ni) uvijek jednak je broju rupa (pi) u intrinzičnom poluprovodniku.

Na primjenu električnog polja na takav intrinzični poluprovodnik, para elektron-rupe može biti prisiljena da se kreće pod njegovim utjecajem. U tom slučaju, elektroni se kreću u smjeru suprotnom smjeru primijenjenog polja, dok se rupe kreću u smjeru električnog polja, kao što je prikazano na slici 3b. To znači da se smjer kretanja elektrona i rupa međusobno suprotstavlja. To je zato što, kada elektron određenog atoma krene, recimo, ulijevo, ostavljajući rupe na svom mjestu, elektron od susjednog atoma zauzima njegovo mjesto ponovno kombinirajući se s tom rupom. Međutim, učinivši to, on bi ostavio još jednu rupu na svom mjestu. To se može gledati kao kretanje rupa (prema desnoj strani u ovom slučaju) u poluprovodničkom materijalu. Ova dva kretanja, iako suprotna u smjeru, rezultiraju ukupnim protokom struje kroz poluprovodnik.

Matematički, gustoće nositelja naboja u intrinzičnim poluprovodnicima date su formulom

Ovdje,

Nc je efektivne gustoće stanja u provodnom pojasu.

Nv je efektivne gustoće stanja u valentnom pojasu.

k je Boltzmannova konstanta.

T je temperatura.

EF je Fermijeva energija.

Ev označava razina valentnog pojasa.

Ec označava razina provodnog pojasa.

h je Planckova konstanta.

mh je efektivna masa rupe.

me je efektivna masa elektrona.