Co jsou intrinzní křemík a extrinzní křemík?

Co jsou intrinzní křemík a extrinzní křemík?

Intrinzní křemík

Křemík je klíčový polovodič. Křemík patří do skupiny IV materiálů. V jeho vnější oblasti má čtyři valenční elektrony, které jsou spojeny kovalentními vazbami s valenčními elektrony čtyř sousedních atomů křemíku. Tyto valenční elektrony nejsou dostupné pro elektrický proud. Tedy při 0 K se intrinzní křemík chová jako izolátor. Když teplota stoupne, některé valenční elektrony zlomí své kovalentní vazby v důsledku tepelné energie. To vytváří volnou pozici, známou jako díra, kde byl elektron. Jinak řečeno, při jakékoli teplotě vyšší než 0 K, některé valenční elektrony v krystalu polovodiče získají dostatečnou energii, aby přeskočily z valenční pásmo do vodivého pásma a za sebou zanechaly díru v valenčním pásmu. Tato energie je přibližně 1,2 eV při pokojové teplotě (tj. při 300 K), což odpovídá šířce pásma křemíku.

V krystalu intrinzního křemíku je počet děr roven počtu volných elektronů. Protože každý elektron, který opustí kovalentní vazbu, přispívá dírou do porušené vazby. Při určité teplotě jsou nové elektron-díra páry kontinuálně vytvářeny tepelnou energií, zatímco stejný počet párů rekombinuje. Tedy při konkrétní teplotě v určitém objemu intrinzního křemíku zůstává počet elektron-díra párů stejný. Toto je rovnovážný stav. Je tedy zřejmé, že v rovnovážném stavu se koncentrace volných elektronů n a koncentrace děr p rovnají sobě, a to je nic jiného než intrinzní koncentrace nosičů náboje (ni). Tedy, n = p = ni. Atomová struktura je znázorněna níže.

Intrinzní křemík při 0 K

Intrinzní křemík při pokojové teplotě

Extrinzní křemík

Intrinzní křemík lze převést na extrinzní křemík, pokud je doplněn o kontrolované množství dopantů. Pokud je doplněn dárcovskými atomy (prvky skupiny V), stane se n-typovým polovodičem, a pokud je doplněn akceptorovými atomy (prvky skupiny III), stane se p-typovým polovodičem.

Přidáním malého množství prvku skupiny V do krystalu intrinzního křemíku. Příklady prvků skupiny V jsou fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb) a bismut (Bi). Mají pět valenčních elektronů. Když nahradí atom Si, čtyři valenční elektrony vytvoří kovalentní vazby s okolními atomy a pátý elektron, který se nezúčastňuje vytváření kovalentní vazby, je slabě vázán na rodičovský atom a může snadno opustit atom jako volný elektron. Energie potřebná pro uvolnění tohoto pátého elektronu je přibližně 0,05 eV. Tento typ nepurity se nazývá dárečník, protože přispívá volnými elektrony do krystalu křemíku. Křemík se označuje jako n-typový nebo negativní typ křemíku, protože elektrony jsou negativně nabité částice.

Úroveň Fermiho energie se v n-typovém křemíku přibližuje vodivému pásmu. Zde se počet volných elektronů zvýší nad intrinzní koncentraci elektronů. Na druhou stranu se počet děr sníží pod intrinzní koncentraci děr, protože je větší pravděpodobnost rekombinace kvůli větší koncentraci volných elektronů. Elektrony jsou majoritní nosiče náboje.

Extrinzní křemík s pětičláncovou nepuritou

Pokud je intrinznímu polovodičovému krystalu přidáno malé množství prvků skupiny III, pak tyto prvky nahradí atom křemíku. Prvky skupiny III, jako je AI, B, IN, mají tři valenční elektrony. Tyto tři elektrony vytvářejí kovalentní vazby s okolními atomy a vytvářejí díru. Tyto typy nepurity se nazývají akceptory. Polovodič se označuje jako p-typový polovodič, protože díra se považuje za pozitivně nabité částice.

Extrinzní křemík s trojčláncovou nepuritou

Úroveň Fermiho energie v p-typových polovodičích se přibližuje valenčnímu pásmu. Počet děr se zvyšuje, zatímco počet elektronů se snižuje ve srovnání s intrinzním křemíkem. V p-typových polovodičích jsou díry majoritní nosiče náboje.

Intrinzní koncentrace nosičů náboje v křemíku

Když elektron přeskočí z valenčního pásma do vodivého pásma kvůli termické exkitační energii, v obou pásmech vznikají volné nosiče, tj. elektrony v vodivém pásmu a díry v valenčním pásmu. Koncentrace těchto nosičů se nazývá intrinzní koncentrace nosičů. Prakticky v čistém nebo intrinzním krystalu křemíku je počet děr (p) a elektronů (n) roven sobě, a jsou rovny intrinzní koncentraci nosičů ni. Tedy, n = p = ni

Počet těchto nosičů závisí na šířce pásma. Pro křemík je šířka pásma 1,2 eV při 298 K. Intrinzní koncentrace nosičů v křemíku se zvyšuje s rostoucí teplotou. Intrinzní koncentrace nosičů v křemíku je dána vztahem,

Zde, T = teplota v absolutním stupnici

Intrinzní koncentrace nosičů při 300 K je 1,01 × 1010 cm-3. Ale dosud přijímaná hodnota je 1,5 × 1010 cm-3.