Co to jest półprzewodnik wtrinsiczny

Czym jest intrinsic półprzewodnik?

Definicja intrinsic półprzewodnika

Półprzewodnik to materiał, którego przewodność leży między przewodnikami a izolatorami. Półprzewodniki, które są chemicznie czyste, czyli wolne od domieszków, nazywane są intrinsic półprzewodnikami lub niezdomieszczonymi półprzewodnikami lub półprzewodnikami typu i. Najczęstsze intrinsic półprzewodniki to krzem (Si) i german (Ge), które należą do grupy IV w układzie okresowym. Liczby atomowe Si i Ge wynoszą odpowiednio 14 i 32, co daje ich konfigurację elektronową jako 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 i 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, odpowiednio.

Oba, Si i Ge, mają cztery elektrony w najbardziej zewnętrznej, czyli walencyjnej, powłoce. Te elektrony walencyjne są odpowiedzialne za właściwości przewodzenia półprzewodników.

Kryształ krzemu (jest to takie samo dla germanu) w dwóch wymiarach przedstawiony jest na rysunku 1. Widoczne jest, że każdy elektron walencyjny atomu Si tworzy wiązanie kovalentne z elektronem walencyjnym sąsiedniego atomu Si.

Po parowaniu, intrinsic półprzewodniki brakują swobodnych nośników ładunku, które są elektronami walencyjnymi. W temperaturze 0K pasmo walencyjne jest pełne, a pasmo przewodzenia puste. Żaden z elektronów walencyjnych nie ma wystarczającej energii, aby przejść przez zabronioną lukę energetyczną, co sprawia, że intrinsic półprzewodniki działają jak izolatory w temperaturze 0K.

Jednak w temperaturze pokojowej energia termiczna może spowodować zerwanie kilku wiązań kovalentnych, generując w ten sposób swobodne elektrony, jak pokazano na rysunku 3a. Wygenerowane w ten sposób elektrony podniecają się i przechodzą z pasa walencyjnego do pasa przewodzenia, pokonując barierę energetyczną (rys. 2b). W trakcie tego procesu każdy elektron pozostawia dziurę w pasie walencyjnym. Elektrony i dziury wytworzone w ten sposób nazywane są intrinsic nośnikami ładunku i są odpowiedzialne za właściwości przewodzenia materiału intrinsic półprzewodnika.

Chociaż intrinsic półprzewodniki mogą przewodzić w temperaturze pokojowej, ich przewodność jest niska ze względu na niewielką liczbę nośników ładunku. Gdy temperatura wzrasta, więcej wiązań kovalentnych ulega zerwaniu, generując więcej swobodnych elektronów. Te elektrony przechodzą z pasa walencyjnego do pasa przewodzenia, zwiększając przewodność. Liczba elektronów (ni) zawsze równa się liczbie dziur (pi) w intrinsic półprzewodniku.

Pod wpływem pola elektrycznego w intrinsic półprzewodniku para elektron-dziura może dryfować. W tym przypadku elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do zastosowanego pola, a dziury poruszają się w kierunku pola elektrycznego, jak pokazano na rysunku 3b. Oznacza to, że kierunek, w którym poruszają się elektrony i dziury, jest wzajemnie przeciwny. To dlatego, że gdy elektron danego atomu porusza się, powiedzmy, w lewo, zostawiając za sobą dziurę, elektron sąsiadujący atom zajmuje jego miejsce, rekombinując z tą dziurą. Jednak robiąc to, pozostawiłby jeszcze jedną dziurę w swoim miejscu. Można to rozumieć jako ruch dziur (w tym przypadku w prawo) w materiale półprzewodnikowym. Te dwa ruchy, mimo że są przeciwne, prowadzą do całkowitego przepływu prądu przez półprzewodnik.

Matematycznie gęstości nośników ładunku w intrinsic półprzewodnikach są dane przez

Gdzie,

Nc to skuteczna gęstość stanów w pasie przewodzenia.

Nv to skuteczna gęstość stanów w pasie walencyjnym.

k to stała Boltzmanna.

T to temperatura.

EF to energia Fermiego.

Ev wskazuje poziom pasa walencyjnego.

Ec wskazuje poziom pasa przewodzenia.

h to stała Plancka.

mh to skuteczna masa dziury.

me to skuteczna masa elektronu.