Ano ang Intrinsic Semiconductor?

Ano ang Intrinsic Semiconductor?

Pakahulugan ng Intrinsic Semiconductor

Ang semiconductor ay isang materyal na may konduktibidad na nasa pagitan ng mga konduktor at insulator. Ang mga semiconductor na kimikal na malinis, ibig sabihin walang impurities, ay tinatawag na Intrinsic Semiconductors o Undoped Semiconductor o i-type Semiconductor. Ang pinakakaraniwang intrinsic semiconductors ay ang Silicon (Si) at Germanium (Ge), na kabilang sa Group IV ng periodic table. Ang atomic numbers ng Si at Ge ay 14 at 32, na nagbibigay ng kanilang electronic configuration bilang 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 at 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, kani-kanila.

Ang parehong Si at Ge ay may apat na elektron sa kanilang pinakawalang shell, o valence shell. Ang mga valence electrons na ito ang responsable para sa mga katangian ng konduksyon ng semiconductors.

Ang crystal lattice ng Silicon (ito rin ang pareho para sa Germanium) sa dalawang dimensyon ay tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Narito, makikita na bawat valence electron ng isang Si atom ay pumapareha sa valence electron ng kasunod na Si atom upang mabuo ang covalent bond.

Pagkatapos ng pairing, ang mga intrinsic semiconductors ay kulang sa libreng charge carriers, na ang mga ito ay ang valence electrons. Sa 0K, puno ang valence band at walang laman ang conduction band. Walang valence electrons ang may sapat na enerhiya upang lumampas sa forbidden energy gap, kaya ang intrinsic semiconductors ay gumagana bilang insulators sa 0K.

Gayunpaman, sa temperatura ng silid, ang thermal energy maaaring magdulot ng ilang covalent bonds na mabuwag, kaya nagko-create ng libreng elektron tulad ng ipinapakita sa Figure 3a. Ang mga elektron na ito ay nagsisimula at lumilipat sa conduction band mula sa valence band, na nalalampasan ang energy barrier (Figure 2b). Sa prosesong ito, bawat elektron ay iiwan ang isang butas sa valence band. Ang mga elektron at butas na nabuo sa paraang ito ay tinatawag na intrinsic charge carriers at responsable para sa mga katangian ng konduksyon na ipinapakita ng intrinsic semiconductor material.

Bagama't ang mga intrinsic semiconductors ay maaaring magkonduktor sa temperatura ng silid, mababa ang kanilang konduktibidad dahil sa kaunti lamang ng charge carriers. Habang tumaas ang temperatura, mas maraming covalent bonds ang bumubuwag, nagko-create ng mas maraming libreng elektron. Ang mga elektron na ito ay lumilipat mula sa valence band patungo sa conduction band, kaya tumataas ang konduktibidad. Ang bilang ng mga elektron (ni) ay laging kapareho ng bilang ng mga butas (pi) sa intrinsic semiconductor.

Sa pag-apply ng electric field sa ganitong intrinsic semiconductor, maaaring ipagpalit ang mga electron-hole pairs sa ilalim ng impluwensyang ito. Sa kasong ito, ang mga elektron ay lumilipat sa direksyong kabaligtaran ng aplikadong field samantalang ang mga butas ay lumilipat sa direksyong ng electric field tulad ng ipinapakita sa Figure 3b. Ito ay nangangahulugan na ang direksyon kung saan lumilipat ang mga elektron at butas ay kabaligtaran. Ito ay dahil, habang lumilipat ang isang elektron ng isang partikular na atom, halimbawa, sa kaliwa, at iiwan ang isang butas sa lugar nito, ang elektron mula sa kalapit na atom ay okupado ang lugar nito sa pamamagitan ng recombination sa butas na iyon. Ngunit habang ginagawa ito, ito ay iiwan ang isa pang butas sa lugar nito. Ito ay maaaring tingnan bilang paggalaw ng mga butas (sa kanan sa kasong ito) sa semiconductor material. Ang dalawang paggalaw na ito, bagama't kabaligtaran ang direksyon, nagresulta sa kabuuang paggalaw ng current sa semiconductor.

Matematikal, ang densities ng charge carrier sa intrinsic semiconductors ay ibinibigay ng

Dito,

N c ay ang effective densities of states sa conduction band.

Nv ay ang effective densities of states sa valence band.

k ang Boltzmann constant.

T ang temperatura.

EF ang Fermi energy.

Ev ang level ng valence band.

Ec ang level ng conduction band.

h ang Planck constant.

mh ang effective mass ng isang butas.

me ang effective mass ng isang elektron.