Mi az intrinszik szemiconduktor?

Mi az intrinszik szemiletvezető?

Intrinszik szemiletvezető definíció

A szemiletvezető olyan anyag, amely vezetőképessége a vezetők és a izolátorok között helyezkedik el. A vegyszeresen tiszta, vagyis tisztított szemiletvezetőket intrinszik szemiletvezetőknek, nemesítetlen szemiletvezetőknek vagy i-típusú szemiletvezetőknek nevezik. A leggyakrabban előforduló intrinszik szemiletvezetők a kémén (Si) és a germa (Ge), amelyek a periódusos rendszer IV. csoportjába tartoznak. A Si és Ge atomi számai 14 és 32, ami elektronkonfigurációjukat a következőképpen határozza meg: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 és 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, illetve.

A Si és a Ge is négy elektronnal rendelkeznek a legkülső, vagy valenciakörökben. Ezek a valenciaelektronok felelősek a szemiletvezetők vezetőképességéért.

A kémének kristályrácsa (amely ugyanaz, mint a germa esetében) kétdimenzióban látható az 1. ábrán. Itt látható, hogy egy Si atom minden valenciaelektrona párosodik a szomszédos Si atom valenciaelektronával egy kovalens kötést formálva.

Párosodás után az intrinszik szemiletvezetők nem rendelkeznek szabad töltésviszonyokkal, melyek a valenciaelektronok lenne. 0K-on a valenciaövezet tele van, a vezetőövezet üres. Nincs olyan valenciaelektron, amely elegendő energiával rendelkezne, hogy átkeljen a tilos energiaüregen, ezért az intrinszik szemiletvezetők 0K-on izolátorokként viselkednek.

Azonban szobahőmérsékleten a hőenergia néhány kovalens kötést felbont, így szabad elektronokat generál, ahogy az 3a. ábrán látható. Az így generált elektronok felkutatva átkelnek a vezetőövezetre a valenciaövezetről, túljutva az energiaakadályon (2b. ábra). Ez a folyamat során minden elektron egy lyukat hagy maga mögött a valenciaövezetben. Az így létrejött elektronok és lyukak az intrinszik töltésviszonyok, amelyek felelősek az intrinszik szemiletvezető anyag vezetőképességéért.

Bár az intrinszik szemiletvezetők vezetni tudnak szobahőmérsékleten, vezetőképességük alacsony a kevés töltésviszony miatt. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, további kovalens kötések szakadnak, szabad elektronokat generálva. Ezek az elektronok átkelnek a valenciaövezetről a vezetőövezetre, növelve a vezetőképességet. Az elektronok (ni) száma mindig megegyezik a lyukak (pi) számával az intrinszik szemiletvezetőben.

Amikor elektromos mezőt alkalmazunk ilyen intrinszik szemiletvezetőre, az elektron-lyuk párjai elmozdulhatnak ennek hatására. Ebben az esetben az elektronok ellentétes irányban mozognak, mint a megalkalmazott mező, míg a lyukak a mező irányában mozognak, ahogy az 3b. ábrán látható. Ez azt jelenti, hogy az elektronok és a lyukak mozgásának iránya egymással ellentétes. Ez azért van, mert amikor egy adott atom elektrona, mondjuk balra mozog, hagy hátra egy lyukot, a szomszédos atom elektrona elfoglalja helyét, újraegyesedve ezzel a lyukkal. Ugyanakkor ekkor is hagy hátra egy újabb lyukat. Ez a lyukak (ebben az esetben jobbra) mozgásának tekinthető a szemiletvezető anyagban. Ezek a két, ellentétes irányú mozgás, bár ellentétesek, eredményezik a teljes áramátvitelt a szemiletvezetőn keresztül.

Matematikailag az intrinszik szemiletvezetőkben a töltésviszony sűrűségek a következőképpen adódnak:

Itt,

Nc a vezetőövezetben a hatásos állapotok sűrűsége.

Nv a valenciaövezetben a hatásos állapotok sűrűsége.

kb a Boltzmann-állandó.

T a hőmérséklet.

EF a Fermi-energia.

Ev a valenciaövezet szintje.

Ec a vezetőövezet szintje.

h a Planck-állandó.

mh a lyuk hatásos tömege.

me az elektron hatásos tömege.