Vad är en inre halvledare

Vad är en inbäddad halvledare?

Definition av inbäddad halvledare

En halvledare är ett material vars ledningsförmåga ligger mellan den för leder och isolatorer. Halvledare som är kemiskt rena, vilket betyder fria från föroreningar, kallas inbäddade halvledare eller odrivna halvledare eller i-typ halvledare. De vanligaste inbäddade halvledarna är Silikon (Si) och Germanium (Ge), som tillhör grupp IV i det periodiska systemet. Atomnumren för Si och Ge är 14 och 32, vilket ger deras elektronkonfiguration som 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 respektive 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Både Si och Ge har fyra elektroner i sin yttersta, eller valens, skal. Dessa valenselektroner är ansvariga för halvledarnas ledningsegenskaper.

Krutyställningen av silikon (det är samma även för germanium) i två dimensioner visas i figur 1. Här ser vi att varje valenselektron från en Si-atom parar med valenselektronen från den intilliggande Si-atom för att bilda en kovalent bindning.

Efter parning saknar inbäddade halvledare fria laddningsbärare, vilka är valenselektronerna. Vid 0K är valensbandet fullt, och ledningsbandet tomt. Ingen av valenselektronerna har tillräckligt med energi för att överstiga det förbjudna energigapet, vilket gör att inbäddade halvledare fungerar som isolatorer vid 0K.

Men vid rumstemperatur kan den termiska energin orsaka att några av de kovalenta bindningarna bryts, vilket genererar fria elektroner som visas i figur 3a. De genererade elektronerna upphetsas och flyttar sig från valensbandet till ledningsbandet, genom att övervinna energibarriären (figur 2b). Under denna process lämnar varje elektron en hålighet i valensbandet. De elektroner och håligheter som skapas på detta sätt kallas inbäddade laddningsbärare och är ansvariga för de ledande egenskaperna som visar inbäddade halvledarmaterial.

Även om inbäddade halvledare kan leda vid rumstemperatur, är deras ledningsförmåga låg på grund av de få laddningsbärarna. När temperaturen ökar bryts fler kovalenta bindningar, vilket genererar fler fria elektroner. Dessa elektroner rör sig från valensbandet till ledningsbandet, vilket ökar ledningsförmågan. Antalet elektroner (ni) är alltid lika med antalet håligheter (pi) i den inbäddade halvledaren.

När ett elektriskt fält appliceras på en sådan inbäddad halvledare kan elektron-hålpar drivas under dess inflytande. I detta fall rör sig elektronerna i motsatt riktning mot det applicerade fältet, medan håligheter rör sig i riktningen av det elektriska fältet som visas i figur 3b. Detta betyder att riktningen längs vilken elektronerna och håligheterna rör sig är mutuellt motsatta. Detta beror på att när en elektron från ett specifikt atom rör sig till vänster, genom att lämna en hålighet på sin plats, tar en elektron från den närliggande atomen dess plats genom att kombinera med den håligheten. Men medan den gör det, skulle den ha lämnat ytterligare en hålighet på sin plats. Detta kan ses som rörelsen av håligheterna (mot höger i detta fall) i halvledarmaterialet. Dessa två rörelser, även om de är motsatta i riktning, resulterar i total strömflöde genom halvledaren.

Matematiskt ges laddningsbärartätheterna i inbäddade halvledare av

Här,

Nc är effektiva tätheten av tillstånd i ledningsbandet.

Nv är effektiva tätheten av tillstånd i valensbandet.

är Boltzmann-konstanten.

T är temperaturen.

EF är Fermi-energin.

Ev indikerar nivån av valensbandet.

Ec indikerar nivån av ledningsbandet.

är Plancks konstant.

mh är den effektiva massan av en hålighet.

me är den effektiva massan av en elektron.