რის არის ინტრინსული სემიკონდუქტორი

რა არის ინტრინსული სემიპროვოდუქტორი?

ინტრინსული სემიპროვოდუქტორის განმარტება

სემიპროვოდუქტორი არის მასალა, რომლის პროვოდირების შესაძლებლობა მდებარეობს პროვოდორებისა და იზოლატორების შორის. ქიმიურად სუფთა სემიპროვოდუქტორები, რომლებიც არ შეიცავენ დაბრუნებელ ნაწილებს, უწოდებენ ინტრინსულ სემიპროვოდუქტორებს ან უდოპირებულ სემიპროვოდუქტორებს ან i-ტიპის სემიპროვოდუქტორებს. ყველაზე ხშირი ინტრინსული სემიპროვოდუქტორებია კვარცხალი (Si) და გერმანიუმი (Ge), რომლებიც მდებარეობენ პერიოდული სისტემის IV ჯგუფში. Si და Ge-ის ატომური ნომრები არის 14 და 32, რითაც იღებენ მათ ელექტრონულ კონფიგურაციებს შესაბამისად 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 და 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Si და Ge მათ ყველაზე გარეთ მდებარე ან ვალენტურ სართულში აქვთ ხუთი ელექტრონი. ეს ვალენტური ელექტრონები უზრუნველყოფენ სემიპროვოდუქტორების პროვოდირების თვისებებს.

კვარცხალის კრისტალური ქსელი (იგივე გერმანიუმისთვის) ორ განზომილებაში ჩანს ფიგურა 1-ში. აქ ხედავთ, რომ თითოეული Si ატომის ვალენტური ელექტრონი არის დაკავშირებული მის მეზობელი Si ატომის ვალენტურ ელექტრონთან კოვალენტური ბადის ქმნისთვის.

დაკავშირების შემდეგ ინტრინსული სემიპროვოდუქტორები არ აქვთ თავისუფალი შარჯის ნაწილაკები, რომლებიც ვალენტური ელექტრონებია. 0K ტემპერატურაზე ვალენტური ზონა სრულია და კონდუქტორული ზონა ცარიელი. არ არის საკმარისი ენერგია ვალენტური ელექტრონებისთვის გადასვლისთვის კონდუქტორულ ზონაში, რაც ხდის ინტრინსულ სემიპროვოდუქტორებს იზოლატორებად 0K ტემპერატურაზე.

თუმცა სართულ ტემპერატურაზე თერმიული ენერგია შეიძლება განართოს რამდენიმე კოვალენტური ბადი, რითაც იქიდან წარმოიქმნება თავისუფალი ელექტრონები, როგორც ჩანს ფიგურა 3a-ში. ამ ელექტრონებმა იღებენ საკმარის ენერგიას და გადადიან კონდუქტორულ ზონაში ვალენტური ზონიდან, გადაჭრით ენერგიულ ბარიერს (ფიგურა 2b). ამ პროცესში თითოეული ელექტრონი ტოვებს ხარისხს ვალენტურ ზონაში. ასე შექმნილი ელექტრონები და ხარისხები უწოდებენ ინტრინსულ შარჯის ნაწილაკებს და ისინი უზრუნველყოფენ ინტრინსულ სემიპროვოდუქტორულ მასალაში დაკავშირებული თვისებების გამოსახატვას.

თუმცა ინტრინსული სემიპროვოდუქტორები შეიძლება დაიკონდუქტორონ სართულ ტემპერატურაზე, მათი კონდუქტივობა დაბალია რადგან შარჯის ნაწილაკების რაოდენობა ცოტაა. რაც ტემპერატურა ზრდის, იმდენად უფრო კოვალენტური ბადები განართება, რითაც იქიდან წარმოიქმნება უფრო მეტი თავისუფალი ელექტრონები. ეს ელექტრონები გადადიან ვალენტური ზონიდან კონდუქტორულ ზონაში, რითაც ზრდის კონდუქტივობა. ელექტრონების (ni) რაოდენობა ყოველთვის უდრის ხარისხების (pi) რაოდენობას ინტრინსულ სემიპროვოდუქტორში.

როდესაც ელექტროსტატიკური ველი გამოიყენება ინტრინსულ სემიპროვოდუქტორზე, ელექტრონ-ხარისხის წყვილები შეიძლება დაიდგინონ მისი შედეგი. ამ შემთხვევაში ელექტრონები მოძრავებენ ელექტროსტატიკური ველის პირიქით მიმართული ხარისხები კი მიმართული ველის მიმართ. ეს ნიშნავს, რომ ელექტრონების და ხარისხების მოძრაობის მიმართულებები ერთმანეთის პირიქით არიან. ეს ხდება იმიტომ, რომ როდესაც ერთი ატომის ელექტრონი მოძრავია, მას თან მიდის მეზობელი ატომის ელექტრონი, რომელიც ხარისხის ადგილას დაიკავებს. თუმცა ეს მეზობელი ატომი ტოვებს კიდევ ერთ ხარისხს თავის ადგილას. ეს შეიძლება იხილოს როგორც ხარისხების მოძრაობა სემიპროვოდუქტორულ მასალაში. ეს ორი მოძრაობა, თუმცა ერთმანეთის პირიქით მიმართული, იწვევს სრულ დენის მიმართულებას სემიპროვოდუქტორში.

მათემატიკურად ინტრინსული სემიპროვოდუქტორების შარჯის ნაწილაკების სიმკვრივე გამოისახება შემდეგნაირად:

აქ,

Nc არის შესაძლო სიმკვრივე კონდუქტორულ ზონაში.

Nv არის შესაძლო სიმკვრივე ვალენტურ ზონაში.

k არის ბოლცმანის მუდმივა.

T არის ტემპერატურა.

EF არის ფერმის ენერგია.

Ev აღნიშნავს ვალენტური ზონის დონეს.

Ec აღნიშნავს კონდუქტორული ზონის დონეს.

h არის პლანკის მუდმივა.

mh არის ხარისხის ეფექტური მასა.

me არის ელექტრონის ეფექტური მასა.