Hva er en intrinsikk halvleder?

Hva er en intrinsisk halvleder?

Definisjon av intrinsisk halvleder

En halvleder er et materiale som har en ledningsevne som ligger mellom den til leder og isolator. Halvledere som er kjemisk rene, altså uten forurensetoffer, kalles intrinsiske halvledere eller urene halvledere eller i-type halvledere. De mest vanlige intrinsiske halvlederne er silisium (Si) og germanium (Ge), som hører til gruppe IV i periodisk system. Atomnummeret for Si og Ge er henholdsvis 14 og 32, som gir deres elektronkonfigurasjon som 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 og 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respektive.

Både Si og Ge har fire elektroner i deres ytterste, eller valens, skall. Disse valenselektronene er ansvarlige for halvledernes ledningsmessige egenskaper.

Krystallgitteret til silisium (det er det samme selv for germanium) i to dimensjoner er vist i figur 1. Her ser man at hver valenselektron fra et Si-atom parres med valenselektronet fra det nærliggende Si-atomet for å danne en kovalent binding.

Etter pairingen mangler intrinsiske halvledere frie ladningsbærere, som er valenselektronene. Ved 0K er valensbåndet fullt, og ledningsbåndet er tomt. Ingen valenselektroner har nok energi til å krysse den forbudte energilukken, noe som gjør at intrinsiske halvledere fungerer som isolatorer ved 0K.

Imidlertid, ved romtemperatur, kan termisk energi føre til at noen av de kovalente bindingene brytes, og genererer frie elektroner som vist i figur 3a. Elektronene som blir generert, blir opphisset og flytter seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, overvinner energibarrieren (figur 2b). Under denne prosessen etterlater hvert elektron et hull i valensbåndet. Elektronene og hullene som blir skapt på denne måten, kalles intrinsiske ladningsbærere og er ansvarlige for de ledningsmessige egenskapene som vises av det intrinsiske halvledermaterialet.

Selv om intrinsiske halvledere kan lede ved romtemperatur, er deres ledningsevne lav pga få ladningsbærere. Når temperaturen øker, brytes flere kovalente bindinger, som genererer flere frie elektroner. Disse elektronene flytter seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, noe som øker ledningsevnen. Antallet elektroner (ni) er alltid lik antallet hull (pi) i den intrinsiske halvlederen.

Ved å anvende et elektrisk felt på en slik intrinsk halvleder, kan elektron-hullparene bli satt i bevegelse under dets innflytelse. I dette tilfellet beveger elektronene seg i motsatt retning av det påførte feltet, mens hullene beveger seg i retningen av det elektriske feltet, som vist i figur 3b. Dette betyr at retningen langs hvilken elektronene og hullene beveger seg, er motstridig. Dette er fordi, når et elektron fra et bestemt atom beveger seg mot venstre, ved å etterlate et hull på sin plass, vil elektronet fra det naboatomet ta over sin plass ved å rekombinere med det hull. Men ved å gjøre dette, ville det etterlatte et nytt hull på sin plass. Dette kan ses som bevegelsen av hull (mot høyre side i dette tilfellet) i halvledermaterialet. Disse to bevegelser, selv om de er motsatt rettet, fører til total strøm gjennom halvlederen.

Matematisk gis ladningsbærertettheten i intrinsiske halvledere av

Her,

N c er effektiv tetthet av tilstander i ledningsbåndet.

Nv er effektiv tetthet av tilstander i valensbåndet.

er Boltzmann-konstanten.

T er temperaturen.

EF er Fermi-energien.

Ev indikerer nivået av valensbåndet.

Ec indikerer nivået av ledningsbåndet.

er Plancks konstant.

mh er effektiv masse av et hull.

me er effektiv masse av et elektron.