Що таке внутрішній напівпровідник?

Що таке внутрішній напівпровідник?

Визначення внутрішнього напівпровідника

Напівпровідник - це матеріал, чиє провідність знаходиться між провідниками та ізоляторами. Напівпровідники, які хімічно чисті, тобто без домішки, називаються внутрішніми напівпровідниками або недоповненими напівпровідниками або i-типу напівпровідниками. Найпоширенішими внутрішніми напівпровідниками є кремній (Si) та германій (Ge), які належать до групи IV періодичної таблиці. Атомні номери Si та Ge становлять 14 та 32, що дає їх електронну конфігурацію відповідно 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 та 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Обидва, Si та Ge, мають чотири електрони у своїй зовнішній, або валентній, оболонці. Ці валентні електрони відповідають за провідні властивості напівпровідників.

Кристалічна ґратка кремнію (вона така ж, як і для германію) в двовимірному просторі показана на рисунку 1. Тут видно, що кожен валентний електрон атома Si парується з валентним електроном сусіднього атома Si, формуючи ковалентне зв'язання.

Після парування, внутрішні напівпровідники не мають вільних носіїв заряду, якими є валентні електрони. При 0K, валентна зона повна, а зона провідності порожня. Жоден валентний електрон не має достатньо енергії, щоб перейти через заборонений енергетичний проміжок, що робить внутрішні напівпровідники ізоляторами при 0K.

Однак, при кімнатній температурі, теплова енергія може спричинити розрив декількох ковалентних зв'язків, що створює вільні електрони, як показано на рисунку 3a. Електрони, таким чином створені, збуджуються і переміщуються з валентної зони в зону провідності, подолуючи енергетичний бар'єр (рисунок 2b). В процесі кожен електрон залишає позади дірку у валентній зоні. Електрони та дірки, створені таким чином, називаються внутрішніми носіями заряду і відповідають за провідні властивості, які демонструє матеріал внутрішнього напівпровідника.

Хоча внутрішні напівпровідники можуть проводити при кімнатній температурі, їхня провідність низька через невелику кількість носіїв заряду. Зі збільшенням температури розривається більше ковалентних зв'язків, що створює більше вільних електронів. Ці електрони переміщуються з валентної зони в зону провідності, збільшуючи провідність. Кількість електронів (ni) завжди дорівнює кількості дірок (pi) у внутрішньому напівпровіднику.

При застосуванні електричного поля до такого внутрішнього напівпровідника, пари електрон-дірка можуть дрейфувати під його впливом. У цьому випадку, електрони рухаються в напрямку, протилежному застосованому полю, а дірки рухаються в напрямку електричного поля, як показано на рисунку 3b. Це означає, що напрямки, в яких рухаються електрони та дірки, взаємно протилежні. Це тому, що коли електрон атома, скажімо, рухається вліво, залишаючи дірку на своєму місці, електрон з сусіднього атома займає його місце, рекомбінувати з цією діркою. Однак, роблячи це, він залишає ще одну дірку на своєму місці. Це можна розглядати як рух дірок (вправо в цьому випадку) в матеріалі напівпровідника. Ці два рухи, хоча і протилежні за напрямком, призводять до загального потоку струму через напівпровідник.

Математично, густини носіїв заряду у внутрішніх напівпровідниках визначаються формулою

Тут,

N c - ефективна густина станів у зоні провідності.

Nv - ефективна густина станів у валентній зоні.

k - стала Больцмана.

T - температура.

EF - енергія Фермі.

Ev - рівень валентної зони.

Ec - рівень зони провідності.

h - стала Планка.

mh - ефективна маса дірки.

me - ефективна маса електрона.