Wat is een intrinsieke halfgeleider?

Wat is een Intrinsic Semiconductor?

Definitie van Intrinsic Semiconductor

Een halfgeleider is een materiaal waarvan de geleidbaarheid tussen die van geleiders en isolatoren ligt. Chemisch zuivere halfgeleiders, wat betekent zonder impuriteiten, worden Intrinsic Semiconductors of Ongezuiverde Halfgeleiders of i-type Halfgeleiders genoemd. De meest voorkomende intrinsic halfgeleiders zijn Silicium (Si) en Germanium (Ge), die behoren tot Groep IV van het periodiek systeem. Het atoomnummer van Si en Ge is respectievelijk 14 en 32, wat hun elektronische configuratie oplevert als 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 en 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Zowel Si als Ge hebben vier elektronen in hun buitenste, of valentie, schil. Deze valentie-elektronen zijn verantwoordelijk voor de geleidings eigenschappen van de halfgeleiders.

Het kristalrooster van Silicium (hetzelfde geldt voor Germanium) in twee dimensies is zoals weergegeven in Figuur 1. Hier wordt gezien dat elk valentie-elektron van een Si-atoom koppelt met het valentie-elektron van het aangrenzende Si-atoom om een covalente binding te vormen.

Na het koppelen ontbreken er in intrinsic halfgeleiders vrij charge carriers, namelijk de valentie-elektronen. Bij 0K is de valentieband vol en de geleidingsband leeg. Geen enkel valentie-elektron heeft genoeg energie om de verboden energiegap over te steken, waardoor intrinsic halfgeleiders bij 0K functioneren als isolatoren.

Echter, bij kamertemperatuur kan thermische energie enkele covalente bindingen laten breken, waardoor vrije elektronen worden gegenereerd zoals weergegeven in Figuur 3a. De zo gegenereerde elektronen raken opgewonden en bewegen van de valentieband naar de geleidingsband, waarbij ze de energiebarrière overwinnen (Figuur 2b). Tijdens dit proces laat elk elektron een gat achter in de valentieband. De elektronen en gaten die op deze manier worden gecreëerd, worden intrinsieke charge carriers genoemd en zijn verantwoordelijk voor de geleidende eigenschappen die door het intrinsieke halfgeleidervis worden getoond.

Hoewel intrinsieke halfgeleiders bij kamertemperatuur kunnen geleiden, is hun geleidbaarheid laag vanwege de weinige charge carriers. Naarmate de temperatuur stijgt, breken meer covalente bindingen, waardoor meer vrije elektronen worden gegenereerd. Deze elektronen bewegen van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor de geleidbaarheid toeneemt. Het aantal elektronen (ni) is altijd gelijk aan het aantal gaten (pi) in de intrinsieke halfgeleider.

Bij het toepassen van een elektrisch veld op zo'n intrinsieke halfgeleider kunnen de elektron-gat paren onder invloed van het veld gaan drijven. In dit geval bewegen de elektronen in de richting tegenovergesteld aan het toegepaste veld, terwijl de gaten in de richting van het elektrische veld bewegen zoals weergegeven in Figuur 3b. Dit betekent dat de richting waarin de elektronen en de gaten bewegen, elkaar tegengesteld zijn. Dit komt doordat, wanneer een elektron van een bepaald atoom naar links beweegt door een gat achter te laten, het elektron van het aangrenzende atoom zijn plaats inneemt door te recombineren met dat gat. Terwijl het dit doet, zal het echter nog een gat achterlaten. Dit kan worden gezien als de beweging van de gaten (naar rechts in dit geval) in het halfgeleidervis. Deze twee bewegingen, hoewel tegenovergesteld in richting, resulteert in de totale stroom door de halfgeleider.

Wiskundig zijn de charge carrier dichtheden in intrinsieke halfgeleiders gegeven door

Hierbij,

Nc is de effectieve dichtheid van toestanden in de geleidingsband.

Nv is de effectieve dichtheid van toestanden in de valentieband.

is de Boltzmann-constante.

T is de temperatuur.

EF is de Fermi-energie.

Ev geeft het niveau van de valentieband aan.

Ec geeft het niveau van de geleidingsband aan.

is de Planck-constante.

mh is het effectieve massa van een gat.

me is het effectieve massa van een elektron.