Què són el silici intrínsec i el silici extrínsec?
Què són el silici intrínsec i el silici extrínsec?
Silici intrínsec
El silici és un element semiconductiu vital. El silici és un material de grup IV. En la seva òrbita exterior, té quatre electrons de valència que estan enllaçats per enllaços covalents amb els electrons de valència de quatre àtoms de silici adjacents. Aquests electrons de valència no estan disponibles per a la electricitat. Per tant, a 0oK, el silici intrínsec es comporta com un aïllant. Quan la temperatura augmenta, alguns electrons de valència rompen els seus enllaços covalents degut a l'energia tèrmica. Això crea una vacància, coneguda com un forat, on estava l'electró. En altres paraules, a qualsevol temperatura superior a 0oK, alguns dels electrons de valència en el cristall del semiconductiu guanyen suficient energia per saltar de la banda de valència a la banda de conducció, deixant un forat a la banda de valència. Aquesta energia és aproximadament igual a 1,2 eV a temperatura ambiente (és a dir, a 300oK), que és igual a l'energia de la brecha de banda del silici.
En el cristall de silici intrínsec, el nombre de forats és igual al nombre d'electrons lliures. Ja que cada electró, quan abandona l'enllaç covalent, contribueix amb un forat en l'enllaç trencat. A una certa temperatura, noves parelles electró-forat són creades continuament per l'energia tèrmica, mentre un nombre igual de parelles es recombinen. Per tant, a una temperatura determinada, en un volum determinat de silici intrínsec, el nombre de parelles electró-forat roman constant. Aquesta és una condició d'equilibri. Per tant, és obvi que, en la condició d'equilibri, la concentració d'electrons lliures n i la concentració de forats p són iguals, i això no és res més que la concentració intrínseca de portadors de càrrega (ni). És a dir, n = p = ni. La estructura atòmica es mostra a continuació.
Silici intrínsec a 0oK
Silici intrínsec a temperatura ambiente
Silici extrínsec
El silici intrínsec es pot convertir en silici extrínsec quan es dopa amb una quantitat controlada d'impuretes. Si es dopa amb àtoms donadors (elements de grup V) es converteix en un semiconductiu de tipus n, i quan es dopa amb àtoms acceptors (elements de grup III) es converteix en un semiconductiu de tipus p.
Si s'afegeix una petita quantitat d'element de grup V a un cristall de silici intrínsec, els exemples d'elements de grup V són el fòsfor (P), l'arsènic (As), l'antimoni (Sb) i el bismut (Bi). Té cinc electrons de valència. Quan desplaça un àtom de Si, els quatre electrons de valència formen enllaços covalents amb els àtoms veïns, i el cinquè electró, que no participa en la formació de l'enllaç covalent, està lleugerament atès al seu àtom parent i pot abandonar-lo fàcilment com a electró lliure. L'energia necessària per a aquest propòsit, és a dir, per a alliberar aquest cinquè electró, és d'uns 0,05 eV. Aquest tipus d'impureta es coneix com a donador, ja que contribueix amb electrons lliures al cristall de silici. El silici es coneix com a silici de tipus n o negatiu, ja que els electrons són partícules carregades negativament.
El nivell d'energia de Fermi es mou més a prop de la banda de conducció en el silici de tipus n. Aquí, el nombre d'electrons lliures augmenta sobre la concentració intrínseca d'electrons. D'altra banda, el nombre de forats disminueix sobre la concentració intrínseca de forats, ja que hi ha més probabilitat de recombinació degut a la major concentració d'electrons lliures. Els electrons són els portadors de càrrega majoritàris.
Silici extrínsec amb impureta pentavalent
Si s'afegeix una petita quantitat d'elements de grup III a un cristall de semiconducteur intrínsec, llavors desplacen un àtom de silici, elements de grup III com l'AI, B, IN tenen tres electrons de valència. Aquests tres electrons fan enllaços covalents amb els àtoms veïns creant un forat. Aquests tipus d'àtoms d'impureta es coneixen com a acceptors. El semiconducteur es coneix com a semiconducteur de tipus p, ja que el forat es considera carregat positivament.
Silici extrínsec amb impureta trivalent
El nivell d'energia de Fermi en els semiconductors de tipus p es mou més a prop de la banda de valència. El nombre de forats augmenta, mentre que el nombre d'electrons disminueix en comparació amb el silici intrínsec. En els semiconductors de tipus p, els forats són els portadors de càrrega majoritàris.
Concentració intrínseca de portadors de càrrega del silici
Quan un electró salta de la banda de valència a la banda de conducció degut a l'excitació tèrmica, es creen portadors lliures en ambdues bandes, és a dir, electrons en la banda de conducció i forats en la banda de valència. La concentració d'aquests portadors es coneix com a concentració intrínseca de portadors. Pràcticament, en un cristall de silici pur o intrínsec, el nombre de forats (p) i electrons (n) són iguals, i són iguals a la concentració intrínseca de portadors ni. Per tant, n = p = ni
El nombre d'aquests portadors depèn de l'energia de la brecha de banda. Per al silici, l'energia de la brecha de banda és de 1,2 eV a 298oK, la concentració intrínseca de portadors en el silici augmenta amb l'augment de la temperatura. La concentració intrínseca de portadors en el silici es dóna per,
Aquí, T = temperatura en escala absoluta
La concentració intrínseca de portadors a 300oK és de 1,01 × 1010 cm-3. Però el valor anteriorment acceptat és de 1,5 × 1010 cm-3.
