Kaj je intrinzični polprevodnik?
Kaj je intrinzični polprevodnik?
Definicija intrinzičnega polprevodnika
Polprevodnik je material, katerega prevodnost leži med prevodniki in izolatorji. Polprevodniki, ki so kemijsko čisti, kar pomeni brez onesnaženosti, se imenujejo intrinzični polprevodniki ali nedopeirani polprevodniki ali i-tipa polprevodniki. Najpogostejši intrinzični polprevodniki sta Kremik (Si) in Germanij (Ge), ki spadata v IV skupino periodnega sistema. Atomski števili Si in Ge sta 14 in 32, kar da njuno elektronsko konfiguracijo kot 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 in 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, zlasti.
Oba, Si in Ge, imata štiri elektrone v svojem najbolj zunanjem, ali valentnem, sloju. Ti valentni elektroni so odgovorni za prevodne lastnosti polprevodnikov.
Kristalna mreža Kremika (enaka je tudi za Germanij) v dvodimenzionalnem prikazu je prikazana na Sliki 1. Tukaj vidimo, da se vsak valentni elektron atoma Si poveže s valentnim elektronom sosednjega atoma Si, da tvori kovalentno vez.
Po parižu intrinzični polprevodniki nima proste električne naboja, ki so valentni elektroni. Pri 0K je valentni pas poln, conduction band pa prazen. Noben valentni elektron nima dovolj energije, da bi presegel prepovedano energetsko vrzel, zaradi česar intrinzični polprevodniki delujejo kot izolatorji pri 0K.
Vendar pa pri sobni temperaturi lahko toplinska energija povzroči, da se nekaj kovalentnih vezov razbije, s tem generira proste elektrone, kot je prikazano na Sliki 3a. Elektroni, ki jih tako generiramo, postanejo vzbuženi in se premaknejo iz valentnega banda v conduction band, premagajo energetsko oviro (Slika 2b). V tem procesu vsak elektron zapusti luknjo v valentnem bandu. Elektroni in luknje, ki jih ustvarimo na ta način, se imenujejo intrinzični nosilci naboja in so odgovorni za prevodne lastnosti, ki jih prikazujejo intrinzični polprevodni materiali.
Čeprav intrinzični polprevodniki lahko prevajajo pri sobni temperaturi, je njihova prevodnost nizka zaradi malo nosilcev naboja. Ko se temperatura poviša, se razbije več kovalentnih vezov, s tem generira več prostih elektronov. Ti elektroni se premaknejo iz valentnega banda v conduction band, kar poveča prevodnost. Število elektronov (ni) je vedno enako številu luknj (pi) v intrinzičnem polprevodniku.
Pri uporabi električnega polja na takšen intrinzični polprevodnik se lahko par elektron-luknja premika pod njegovim vplivom. V tem primeru se elektroni premikajo v nasprotni smeri od uporabljenega polja, medtem ko se luknje premikajo v smeri električnega polja, kot je prikazano na Sliki 3b. To pomeni, da se smer, v kateri se premikajo elektroni in luknje, medsebojno nasprotuje. To je zato, ker, ko se elektron določenega atoma premakne, recimo, levo, tako da zapusti luknjo na svojem mestu, elektron sosednjega atoma zasede njegovo mesto s ponovno združitvijo z to luknjo. Vendar med tem bo zapustil še eno luknjo na svojem mestu. To se lahko obravnava kot gibanje luknj (v tem primeru desno) v polprevodni material. Ta dva gibanja, čeprav nasprotujeta v smeri, povzročita skupni tok skozi polprevodnik.
Matematično so gostote nosilcev naboja v intrinzičnih polprevodnikih podane s
Tu velja:
Nc je učinkovite gostote stanj v conduction bandu.
Nv je učinkovite gostote stanj v valentnem bandu.
k je Boltzmannova konstanta.
T je temperatura.
EF je Fermijeva energija.
Ev označuje raven valentnega banda.
Ec označuje raven conduction banda.
h je Planckova konstanta.
mh je učinkovita masa luknje.
me je učinkovita masa elektrona.
