อะไรคือสารกึ่งตัวนำที่มีลักษณะพื้นฐาน

อะไรคือสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก?

คำนิยามของสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก

สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน สารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์ทางเคมี หมายถึงไม่มี примесь, называются Intrinsic Semiconductors หรือ Undoped Semiconductor หรือ i-type Semiconductor สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกที่พบบ่อยที่สุดคือ ซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) ซึ่งอยู่ในกลุ่ม IV ของตารางธาตุ หมายเลขอะตอมของ Si และ Ge คือ 14 และ 32 ตามลำดับ ซึ่งทำให้โครงสร้างอิเล็กตรอนของพวกมันเป็น 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 และ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 ตามลำดับ

ทั้ง Si และ Ge มีอิเล็กตรอน 4 ตัวในเปลือกนอกสุด หรือเปลือกวาเลนซ์ อิเล็กตรอนวาเลนซ์เหล่านี้เป็นผู้รับผิดชอบในการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ

โครงสร้างผลึกของซิลิคอน (เหมือนกับเจอร์เมเนียม) ในสองมิติแสดงในภาพที่ 1 ที่นี่จะเห็นว่าแต่ละอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของอะตอม Si จับคู่กับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของอะตอม Si ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างพันธะโคเวเลนต์

หลังจากจับคู่แล้ว สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกขาดแคลนพาหะประจุอิสระ ซึ่งคืออิเล็กตรอนวาเลนซ์ ที่ 0K วงจรวาเลนซ์เต็มและวงจรนำว่าง ไม่มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ใดมีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างพลังงานที่ห้าม ทำให้สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกทำงานเป็นฉนวนที่ 0K

อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิห้อง พลังงานความร้อนอาจทำให้พันธะโคเวเลนต์บางส่วนแตก ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระตามที่แสดงในภาพที่ 3a อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นนี้ได้รับการกระตุ้นและเคลื่อนที่จากวงจรวาเลนซ์ไปยังวงจรนำ ผ่านกำแพงพลังงาน (ภาพที่ 2b) ในกระบวนการนี้ แต่ละอิเล็กตรอนทิ้งรูไว้ในวงจรวาเลนซ์ อิเล็กตรอนและรูที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้เรียกว่าพาหะประจุอินทรินซิก และเป็นผู้รับผิดชอบในการนำไฟฟ้าที่แสดงโดยวัสดุสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก

แม้ว่าสารกึ่งตัวนำอินทรินซิกสามารถนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้อง แต่ความนำไฟฟ้าของพวกมันต่ำเนื่องจากมีพาหะประจุน้อย เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พันธะโคเวเลนต์มากขึ้นแตก ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่จากวงจรวาเลนซ์ไปยังวงจรนำ ทำให้ความนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น จำนวนอิเล็กตรอน (ni) เสมอภาคกับจำนวนรู (pi) ในสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก

เมื่อใช้สนามไฟฟ้ากับสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก คู่อิเล็กตรอน-รูสามารถถูกทำให้เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามกับสนามไฟฟ้าที่ใช้ขณะที่รูเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าตามที่แสดงในภาพที่ 3b นี่หมายความว่าทิศทางที่อิเล็กตรอนและรูเคลื่อนที่เป็นทิศทางตรงกันข้าม นี่เป็นเพราะเมื่ออิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางซ้ายโดยทิ้งรูไว้ อะตอมใกล้เคียงจะเข้ามาแทนที่โดยรวมกับรู แต่จะทิ้งรูใหม่ไว้ ซึ่งสามารถมองเป็นการเคลื่อนที่ของรู (ทางขวาในกรณีนี้) ในวัสดุสารกึ่งตัวนำ การเคลื่อนที่สองแบบนี้ แม้จะตรงกันข้าม แต่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารกึ่งตัวนำ

ทางคณิตศาสตร์ ความหนาแน่นของพาหะประจุในสารกึ่งตัวนำอินทรินซิกกำหนดโดย

ที่นี่,

N c คือความหนาแน่นของสถานะที่มีประสิทธิภาพในวงจรนำ

Nv คือความหนาแน่นของสถานะที่มีประสิทธิภาพในวงจรวาเลนซ์

k คือค่าคงที่โบลท์ซมันน์

T คืออุณหภูมิ

EF คือพลังงานเฟอร์มี

Ev ระบุระดับวงจรวาเลนซ์

Ec ระบุระดับวงจรนำ

h คือค่าคงที่พลังค์

mh คือมวลที่มีประสิทธิภาพของรู

me คือมวลที่มีประสิทธิภาพของอิเล็กตรอน