İntrinsic Yarıiletken Nedir

Intrinsic Yarıiletken Nedir?

Intrinsic Yarıiletken Tanımı

Yarıiletken, iletkenler ve yalıtkanlar arasında yatan iletkenlik özellikine sahip bir malzemedir. Kimyasal olarak saf olan, yani kirleticilerden arınmış yarıiletkenlere Intrinsic Yarıiletken, Doping Yapılmamış Yarıiletken veya i-tipi Yarıiletken denir. En yaygın intrinsic yarıiletkenler, periyodik tablodaki Grup IV'e ait Silikon (Si) ve Germanyum (Ge)'dür. Si ve Ge'nin atom numaraları sırasıyla 14 ve 32'dir, bu da onların elektron yapılarını sırasıyla 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 ve 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 olarak verir.

Hem Si hem de Ge'nin en dıştaki, yani valans kabuğunda dört elektronu vardır. Bu valans elektronları, yarıiletkenlerin iletkenlik özelliklerinden sorumludur.

Silikon kristal kafesi (Almanyum için de aynıdır) iki boyutta Şekil 1'de gösterildiği gibidir. Burada her bir Si atomunun valans elektronunun komşu Si atomunun valans elektronu ile birleşerek kovalent bağ oluşturduğu görülüyor.

Birleşimden sonra, intrinsic yarıiletkenler serbest yük taşıyıcılarına, yani valans elektronlarına sahip değildir. 0K'da, valans bandı dolu ve iletkenlik bandı boş durumdadır. Valans bandındaki hiçbir elektron yasak enerji aralığını aşmak için yeterli enerjiye sahip değildir, bu nedenle intrinsic yarıiletkenler 0K'da yalıtkan gibi davranır.

Ancak oda sıcaklığında, termal enerji bazı kovalent bağların kırılmasına neden olabilir, böylece Şekil 3a'da gösterildiği gibi serbest elektronlar oluşur. Bu şekilde oluşan elektronlar uyarılır ve iletkenlik bandına valans bandından geçerek enerji bariyerini aşar (Şekil 2b). Bu süreçte, her elektron valans bandında bir delik bırakır. Bu şekilde oluşturulan elektronlar ve delikler, intrinsic yarıiletken malzemenin iletkenlik özelliklerini göstermesinde sorumlu olan içsel yük taşıyıcılar olarak adlandırılır.

Intrinsic yarıiletkenler oda sıcaklığında iletken olabilir, ancak az sayıda yük taşıyıcısı nedeniyle iletkenliği düşük olur. Sıcaklık arttıkça, daha fazla kovalent bağ kırılır ve daha fazla serbest elektron oluşur. Bu elektronlar valans bandından iletkenlik bandına geçer, iletkenliği artırır. Intrinsic yarıiletkenlerde elektron sayısı (ni) her zaman delik sayısına (pi) eşittir.

Böyle bir intrinsic yarıiletken üzerine elektrik alan uygulandığında, elektron-delik çiftleri bu etki altında sürüklenir. Bu durumda, elektronlar uygulanan alana ters yönde hareket ederken, delikler elektrik alan yönünde hareket eder (Şekil 3b). Bu, elektronların ve deliklerin hareket ettiği yönlerin birbirine zıt olduğu anlamına gelir. Çünkü, belirli bir atomun elektronu, diyelim ki sola doğru hareket ederken yerinde bir delik bırakırken, komşu atomdan gelen elektron bu delikle yeniden birleşerek onun yerini alır. Ancak bu yaparken, kendisi de bir delik daha bırakır. Bu, yarıiletken malzemesinde deliklerin (bu örnekte sağa doğru) hareket ettiğini gösterir. Bu iki hareket, yönleri birbirine zıt olsa da, yarıiletkenin toplam akımını sağlar.

Matematiksel olarak, intrinsic yarıiletkenlerdeki yük taşıyıcı yoğunlukları şu şekilde verilir:

Burada,

Nc, iletkenlik bandındaki etkin durum yoğunluğudur.

Nv, valans bandındaki etkin durum yoğunluğudur.

k, Boltzmann sabitidir.

T, sıcaklıktır.

EF, Fermi enerjisidir.

Ev, valans bandının seviyesini gösterir.

Ec, iletkenlik bandının seviyesini gösterir.

h, Planck sabitidir.

mh, bir deliğin etkili kütlesidir.

me, bir elektronun etkili kütlesidir.