Что такое внутренний полупроводник?

Что такое Вtrinsic Semiconductor?

Определение Вtrinsic Semiconductor

Полупроводник — это материал, чья проводимость находится между проводниками и диэлектриками. Химически чистые полупроводники, то есть свободные от примесей, называются Вtrinsic Semiconductors или непримешанными полупроводниками или i-типом полупроводников. Наиболее распространенные вtrinsic semiconductors — это кремний (Si) и германий (Ge), которые относятся к четвертой группе периодической таблицы. Атомные номера Si и Ge равны 14 и 32, что дает их электронную конфигурацию как 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 и 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 соответственно.

Оба, Si и Ge, имеют четыре электрона на внешней, или валентной, оболочке. Эти валентные электроны отвечают за проводящие свойства полупроводников.

Кристаллическая решетка кремния (аналогично и для германия) в двух измерениях показана на рисунке 1. Здесь видно, что каждый валентный электрон атома Si образует ковалентную связь с валентным электроном соседнего атома Si.

После образования пар в intrinsic semiconductors отсутствуют свободные носители заряда, которые являются валентными электронами. При 0K валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста. Никакие валентные электроны не имеют достаточной энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону, поэтому intrinsic semiconductors при 0K действуют как диэлектрики.

Однако при комнатной температуре тепловая энергия может привести к разрыву некоторых ковалентных связей, что приводит к образованию свободных электронов, как показано на рисунке 3a. Образовавшиеся электроны возбуждаются и переходят из валентной зоны в зону проводимости, преодолевая энергетический барьер (рисунок 2b). В процессе каждый электрон оставляет после себя дырку в валентной зоне. Электроны и дырки, созданные таким образом, называются внутренними носителями заряда и отвечают за проводящие свойства, проявляемые материалом intrinsic semiconductor.

Хотя intrinsic semiconductors могут проводить при комнатной температуре, их проводимость низкая из-за малого количества носителей заряда. С увеличением температуры разрывается больше ковалентных связей, что приводит к образованию большего количества свободных электронов. Эти электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, увеличивая проводимость. Количество электронов (ni) всегда равно количеству дырок (pi) в intrinsic semiconductor.

При применении электрического поля к такому intrinsic semiconductor, пары электрон-дырка могут быть заставлять дрейфовать под его влиянием. В этом случае электроны движутся в направлении, противоположном направлению приложенного поля, а дырки движутся в направлении электрического поля, как показано на рисунке 3b. Это означает, что направления движения электронов и дырок взаимно противоположны. Это происходит потому, что когда электрон определенного атома перемещается, например, влево, оставляя дырку на своем месте, электрон из соседнего атома занимает его место, рекомбинируя с этой дыркой. Однако, делая это, он оставляет еще одну дырку на своем месте. Это можно рассматривать как движение дырок (в данном случае вправо) в материале полупроводника. Эти два движения, хотя и противоположны по направлению, приводят к общему току через полупроводник.

Математически плотности носителей заряда в intrinsic semiconductors выражаются следующим образом:

Здесь,

Nc — эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

Nv — эффективная плотность состояний в валентной зоне.

k — постоянная Больцмана.

T — температура.

EF — энергия Ферми.

Ev — уровень валентной зоны.

Ec — уровень зоны проводимости.

h — постоянная Планка.

mh — эффективная масса дырки.

me — эффективная масса электрона.