Šta je intrinzični poluprovodnik

Šta je intrinzični poluprovodnik?

Definicija intrinzičnog poluprovodnika

Poluprovodnik je materijal čija provodljivost leži između provodljivosti vodiča i izolatora. Poluprovodnici koji su hemijski čisti, što znači slobodni od prljavih tvari, nazivaju se intrinzični poluprovodnici ili neizmenjeni poluprovodnici ili i-tip poluprovodnici. Najčešći intrinzični poluprovodnici su Kiseljak (Si) i Germanij (Ge), koji pripadaju IV grupi periodnog sistema. Atomski brojevi Si i Ge su 14 i 32, što daje njihovu elektronsku konfiguraciju kao 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 i 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, redom.

Oba, Si i Ge, imaju četiri elektrona u svojoj najspoljašnjoj, ili valentnoj, skorupi. Ovi valentni elektroni su odgovorni za provodne osobine poluprovodnika.

Kristalna mreža kisika (isto važi i za germanij) u dvodimenzionalnom prikazu prikazana je na Slici 1. Vidi se da svaki valentni elektron Si atoma paruje sa valentnim elektronom susednog Si atoma kako bi formirao kovalentnu vezu.

Nakon sparivanja, intrinzični poluprovodnici nemaju slobodne nosioci naboja, koji su valentni elektroni. Na 0K, valentna zona je puna, a provodna zona prazna. Nijedan valentni elektron nema dovoljno energije da pređe zabranjenu energetsku raskaznu, čime intrinzični poluprovodnici postaju izolatori na 0K.

Međutim, na sobnoj temperaturi, termalna energija može dovesti do prekida nekoliko kovalentnih veza, generišući slobodne elektrone kao što je prikazano na Slici 3a. Generisani elektroni se uzbuđuju i prelaze iz valentne zone u provodnu, prevazilažući energetski barijer (Slika 2b). Tijekom ovog procesa, svaki elektron ostavlja rupu u valentnoj zoni. Elektroni i rupe stvorene na taj način nazivaju se intrinzični nosioci naboja i odgovorni su za provodne osobine koje intrinzični poluprovodni materijali pokazuju.

Iako intrinzični poluprovodnici mogu provoditi na sobnoj temperaturi, njihova provodljivost je niska zbog malog broja nosioca naboja. Kako temperatura raste, više kovalentnih veza se prekida, generišući više slobodnih elektrona. Ovi elektroni prelaze iz valentne zone u provodnu, povećavajući provodljivost. Broj elektrona (ni) uvek je jednak broju rupa (pi) u intrinzičnom poluprovodniku.

Pri primeni električnog polja na takav intrinzični poluprovodnik, para elektron-rupe može biti pod uticajem toga naterana da se kreće. U ovom slučaju, elektroni se kreću u suprotnom smeru od primenjenog polja, dok se rupe kreću u smeru električnog polja, kao što je prikazano na Slici 3b. To znači da se smer kretanja elektrona i rupa medjusobno suprotstavlja. To je zato što, kada elektron jednog atoma krene ka recimo, levoj strani, ostavljajući rupe na svom mestu, elektron susednog atoma zauzima njegovo mesto rekombinujući sa tom rupe. Međutim, radom toliko, ostavlja još jednu rupe na svom mestu. To se može posmatrati kao kretanje rupa (prema desnoj strani u ovom slučaju) u poluprovodnom materijalu. Ova dva kretanja, iako suprotna u smeru, rezultuju ukupnim protokom struje kroz poluprovodnik.

Matematički, gustoće nosioca naboja u intrinzičnim poluprovodnicima date su sa:

Ovdje,

Nc je efektivna gustoća stanja u provodnoj zoni.

Nv je efektivna gustoća stanja u valentnoj zoni.

k je Boltzmannova konstanta.

T je temperatura.

EF je Fermi-jeva energija.

Ev označava nivo valentne zone.

Ec označava nivo provodne zone.

h je Planckova konstanta.

mh je efektivna masa rupe.

me je efektivna masa elektrona.