Какво са интраксинен силициум и екстраксинен силициум?

Какво са Интрасенсилен и Екстрасенсилен силициум?

Интрасенсилен силициум

Силициум е важен полупроводников елемент. Силициум е материал от група IV. Във външната си орбита той има четири валентни електрона, които са свързани с валентните електрони на четирите съседни атома на силициум чрез ковалентни връзки. Тези валентни електрони не са налични за провеждането на електричество. Така, при температура 0oK интрасенсилен силициум се държи като изолатор. Когато температурата се повиши, някои валентни електрони разрушават своите ковалентни връзки поради термична енергия. Това създава празнина, известна като дупка, където е бил електронът. С други думи, при всяка температура по-висока от 0oK, някои от валентните електрони в полупроводникчето получават достатъчна енергия, за да прескочат от валентната зона в проводната зона и оставят дупка в валентната зона. Тази енергия е приблизително равна на 1.2 eV при стаята (т.е. при 300oK), което е равно на ширина на запретена зона за силиция.

В интрасенсилен кристал, броят на дупките е равен на броя на свободните електрони. Тъй като всеки електрон, когато напусне ковалентната връзка, допринася за дупка в разрушената връзка. При определена температура, нови двойки електрон-дупка се създават непрекъснато от термична енергия, докато равен брой двойки се реобединяват. Следователно, при конкретна температура в определен обем интрасенсилен силициум, броят на двойките електрон-дупка остава един и същ. Това е равновесно състояние. Следователно, е очевидно, че в равновесно състояние, концентрацията на свободните електрони n и концентрацията на дупките p са равни помежду си, и това нищо друго не е освен интрасенсилената концентрация на носителите на заряд (ni). Тоест, n = p = ni. Атомната структура е показана по-долу.

Интрасенсилен силициум при 0oK

Интрасенсилен силициум при стаяна температура

Екстрасенсилен силициум

Интрасенсилен силициум може да се превърне в екстрасенсилен, когато е дозиран с контролирано количество дозиращи вещества. Ако е дозиран с донорни атоми (елементи от група V), става n-тип полупроводник, а когато е дозиран с акцепторни атоми (елементи от група III), става p-тип полупроводник.

Нека малко количество елементи от група V бъде добавено към интрасенсилен кристал. Примери за елементи от група V са фосфор (P), арсен (As), антимон (Sb) и висмут (Bi). Те имат пет валентни електрона. Когато те заместят атом на Si, четирите валентни електрона образуват ковалентни връзки със съседните атоми, а петият електрон, който не участва в образуването на ковалентната връзка, е слабо свързан с родителя си и лесно може да напусне атома като свободен електрон. Енергията, необходима за тази цел, тоест за освобождаване на петия електрон, е около 0.05 eV. Този вид примеси се нарича донор, тъй като допринасят свободни електрони към кристала на силиция. Силицията се нарича n-тип или отрицателен тип силиций, тъй като електроните са отрицателно заредени частици.

Уровнят на Ферми се приближава до проводната зона в n-типовия силиций. Тук, броят на свободните електрони се увеличава над интрасенсилената концентрация на електрони. От друга страна, броят на дупките намалява над интрасенсилената концентрация на дупки, тъй като има по-голяма вероятност за реобединение поради по-голямата концентрация на свободните електрони. Електроните са основни носители на заряд.

Екстрасенсилен силициум с пентавалентна примес

Ако малко количество елементи от група III бъде добавено към интрасенсилен полупроводников кристал, те заместват атом на силиций, елементи от група III като AI, B, IN имат три валентни електрона. Тези три електрона образуват ковалентни връзки със съседните атоми, създавайки дупка. Тези вид примеси се наричат акцептори. Полупроводникът се нарича p-тип полупроводник, тъй като дупката се приема за положително заредена.

Екстрасенсилен силициум с тривалентна примес

Уровнят на Ферми в p-типовите полупроводници се приближава до валентната зона. Броят на дупките се увеличава, докато броят на електроните намалява в сравнение с интрасенсилената силиция. В p-типовите полупроводници, дупките са основните носители на заряд.

Интрасенсилената концентрация на носителите на заряд в силиция

Когато електрон скочи от валентната зона в проводната зона поради термично възбуждане, свободни носители на заряд се създават в двете зони, тоест електрон в проводната зона и дупка в валентната зона. Концентрацията на тези носители се нарича интрасенсилената концентрация на носителите на заряд. Практически, в чист или интрасенсилен кристал на силиций, броят на дупките (p) и електроните (n) са равни помежду си, и те са равни на интрасенсилената концентрация на носителите на заряд ni. Следователно, n = p = ni

Броят на тези носители зависи от ширината на запретената зона. За силиция, ширината на запретената зона е 1.2 eV при 298oK, интрасенсилената концентрация на носителите на заряд в силиция се увеличава с увеличаването на температурата. Интрасенсилената концентрация на носителите на заряд в силиция е дадена от,

Тук, T = температура в абсолютна скала

Интрасенсилената концентрация на носителите на заряд при 300oK е 1.01 × 1010 cm-3. Но предходно приеманата стойност е 1.5 × 1010 cm-3.