Ինչ է ինտրինսիկ սեմիկոնդուկտորը

Ինչ է ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորը?

Ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորի սահմանումը

Սեմիկոնդուկտորը նյութ է, որի հաղորդակայությունը գտնվում է հաղորդիչների և իզոլյատորների միջև: Քիմիականորեն քանակակալ սեմիկոնդուկտորները, որոնք ազատ են պայմանավորված նյութերից, կոչվում են ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորներ կամ ոչ դոփորակայաց սեմիկոնդուկտորներ կամ i-տիպի սեմիկոնդուկտորներ: Ամենատարածված ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորները սիլիկոնն է (Si) և գերմանիումը (Ge), որոնք պատկանում են պարբերական աղյուսակի IV խմբին: Si-ի և Ge-ի ատոմային համարները համապատասխանաբար 14 և 32 են, որոնց էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան համապատասխանաբար 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 և 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 է:

Si-ն և Ge-ն ունեն չորս էլեկտրոն իրենց ամենաշարժի կամ վալենսի շելում: Այս վալենսային էլեկտրոններն են պատասխանատու սեմիկոնդուկտորների հաղորդակայության հատկությունների համար:

Սիլիկոնի կրիստալային ցանցը (որը նույնն է նաև գերմանիումի համար) երկչափ դիրքում ներկայացված է նկ. 1-ում: Այստեղ երևում է, որ յուրաքանչյուր Si ատոմի վալենսային էլեկտրոնը զուգորդվում է կից Si ատոմի վալենսային էլեկտրոնի հետ, ձևավորելով կովալենտ կապ:

Զուգորդվելուց հետո ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորները առանց ազատ լիցքային միջոցաբաններ են, որոնք վալենսային էլեկտրոններ են: 0K ջերմունակության դեպքում վալենսային կողմը լի է, իսկ հաղորդակայության կողմը դատարկ է: Ոչ մի վալենսային էլեկտրոն չունի բավարար էներգիա կրում է կարգավորված էներգիայի գաղտնի տարածքը կարգավորելու համար, ինչը անցկացնում է ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորները դառնալ իզոլյատորներ 0K ջերմունակության դեպքում:

Բայց սենյակի ջերմության դեպքում ջերմային էներգիան կարող է պատճառել քիմիական կապերի մի քանիսի կորսարում, այսպիսով ստեղծելով ազատ էլեկտրոններ, ինչպես ցուցադրված է նկ. 3a-ում: Այսպիսով ստեղծված էլեկտրոնները արձագանքում են և շարժվում են հաղորդակայության կողմը վալենսային կողմից, գերանցելով էներգիայի բարիերը (նկ. 2b): Այս պրոցեսի ընթացքում յուրաքանչյուր էլեկտրոն թողնում է վալենսային կողմում խորանարկում: Այս կերպ ստեղծված էլեկտրոնները և խորանարկումները կոչվում են ինտրինսեկ լիցքային միջոցաբաններ և պատասխանատու են ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտոր նյութի հաղորդակայության հատկությունների համար:

Չնայած ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորները կարող են հաղորդել սենյակի ջերմության դեպքում, նրանց հաղորդակայությունը ցածր է քիմիական լիցքային միջոցաբանների քիչ քանակի պատճառով: Ջերմության ավելացման դեպքում ավելի շատ կովալենտ կապեր կորսվում են, ստեղծելով ավելի շատ ազատ էլեկտրոններ: Այս էլեկտրոնները շարժվում են վալենսային կողմից հաղորդակայության կողմը, մեծացնելով հաղորդակայությունը: Էլեկտրոնների (ni) քանակը միշտ հավասար է խորանարկումների (pi) քանակին ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորում:

Երբ էլեկտրական դաշտ կիրառվում է այդպիսի ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորին, էլեկտրոն-խորանարկումների զույգերը կարող են շարժվել դրա ազդեցության տակ: Այս դեպքում էլեկտրոնները շարժվում են կիրառված դաշտի հակառակ ուղղությամբ, իսկ խորանարկումները շարժվում են էլեկտրական դաշտի ուղղությամբ, ինչպես ցուցադրված է նկ. 3b-ում: Սա նշանակում է, որ էլեկտրոնների և խորանարկումների շարժման ուղղությունները փոխհակառակ են: Սա բացատրվում է այն ուղղությամբ, որ որպես օրինակ մի որոշ ատոմի էլեկտրոնը շարժվում է ասենք ձախ կողմ, թողնելով խորանարկում իր տեղում, իսկ հարևան ատոմի էլեկտրոնը զբաղեցնում է իր տեղը վերամիավորվելով այդ խորանարկումի հետ: Սակայն այդ ժամանակ նա նույնպես թողնում է մեկ այլ խորանարկում իր տեղում: Սա կարող է դիտարկվել որպես խորանարկումների շարժում (այս դեպքում աջ ուղղությամբ) սեմիկոնդուկտոր նյութում: Այս երկու շարժումները, նույնիսկ եթե դրանք փոխհակառակ են ուղղությամբ, առաջացնում են սեմիկոնդուկտորի միջոցով հոսանքի ընդհանուր հոսքը:

Մաթեմատիկորեն ինտրինսեկ սեմիկոնդուկտորների լիցքային միջոցաբանների խտությունը տրվում է հետևյալ բանաձևով

Այստեղ,

Nc է հաղորդակայության կողմի արդյունավետ վիճակների խտությունը:

Nv է վալենսային կողմի արդյունավետ վիճակների խտությունը:

k է Բոլցմանի հաստատունը:

T է ջերմությունը:

EF է Ֆերմիի էներգիան:

Ev ցույց է տալիս վալենսային կողմի մակարդակը:

Ec ցույց է տալիս հաղորդակայության կողմի մակարդակը:

h է Պլանկի հաստատունը:

mh է խորանարկման արդյունավետ զանգվածը:

me է էլեկտրոնի արդյունավետ զանգվածը: