Hvad er intrinsisk silicium og ekstrinsisk silicium?

Hvad er intrinsisk silicium og ekstrinsisk silicium?

Intrinsisk silicium

Silicium er et vigtigt halvlederstof. Silicium hører til gruppe IV. I dets ydre elektronorbit har det fire valente elektroner, som er bundet ved kovalente bindinger med de valente elektroner af fire nabo-siliciumatomer. Disse valente elektroner er ikke tilgængelige for strøm. Så, ved 0oK opfører intrinsisk silicium sig som en isolator. Når temperaturen stiger, bryder nogle valente elektroner deres kovalente bindinger på grund af termisk energi. Dette skaber en ledighed, kendt som et hulrum, hvor elektronet var. Med andre ord, ved enhver temperatur over 0oK får nogle af de valente elektroner i halvlederkristallet nok energi til at springe fra valencebåndet til konduktionsbåndet og efterlader et hulrum i valencebåndet. Denne energi er cirka lig med 1,2 eV ved rumtemperatur (dvs. ved 300oK), hvilket svarer til bandgap-energien i silicium.

I intrinsisk siliciumkristal er antallet af hulrum lige så stort som antallet af frie elektroner. Da hvert elektron, når det forlader den kovalente binding, bidrager med et hulrum i den brudte binding. Ved en bestemt temperatur oprettes nye elektron-hulrum-par kontinuerligt af termisk energi, mens et lige så stort antal par genforenes. Derfor er antallet af elektron-hulrum-par ved en bestemt temperatur i et bestemt volumen af intrinsisk silicium det samme. Dette er en ligevægtstillstand. Derfor er det indlysende, at i den ligevægtstillstand er koncentrationen af frie elektroner n og hulrumskoncentrationen p lig med hinanden, og dette er intet andet end den intrinsiske ladningsbærerkoncentration (ni). Altså, n = p = ni. Atomsstrukturen vises nedenfor.

Intrinsisk silicium ved 0oK

Intrinsisk silicium ved rumtemperatur

Ekstrinsisk silicium

Intrinsisk silicium kan omdannes til ekstrinsisk silicium, når det bliver dopet med et kontrolleret mængde dopanter. Hvis det dopes med donoratomer (gruppe V elementer) bliver det et n-type halvleder, og når det dopes med acceptoratomer (gruppe III elementer) bliver det et p-type halvleder.

Lad en lille mængde gruppe V-element blive tilføjet til et intrinsisk siliciumkristal. Eksempler på gruppe V-elementer er fosfor (P), arsenik (As), antimon (Sb) og bismut (Bi). De har fem valente elektroner. Når de erstatter et Si-atom, danner de fire valente elektroner kovalente bindinger med naboatomer, og det femte elektron, som ikke deltar i dannelse af den kovalente binding, er løst knyttet til det moderatom og kan let forlade atomet som et frit elektron. Den energi, der er nødvendig for at frigøre det femte elektron, er omkring 0,05 eV. Denne type forurening kaldes en donor, da den bidrager med frie elektroner til siliciumkristallet. Silicium kaldes n-type eller negativt type silicium, da elektroner er negativt ladede partikler.

Fermi-energiniveauet bevæger sig tættere på konduktionsbåndet i n-type silicium. Her øges antallet af frie elektroner over den intrinsiske koncentration af elektroner. På den anden side, falder antallet af hulrum over den intrinsiske hulrumskoncentration, da der er større sandsynlighed for recombination på grund af det større antal frie elektroner. Elektroner er majoritetsladningsbærere.

Ekstrinsisk silicium med pentavalent forureningsstof

Hvis en lille mængde gruppe III-elementer bliver tilføjet til et intrinsisk halvlederkristal, fordrives et siliciumatom, og gruppe III-elementer som AI, B, IN har tre valente elektroner. Disse tre elektroner danner kovalente bindinger med naboatomer, hvilket skaber et hulrum. Disse typer forureningsatomer kaldes acceptorer. Halvlederen kaldes p-type halvleder, da hulrummet anses for at være positivt ladet.

Ekstrinsisk silicium med trivalent forureningsstof

Fermi-energiniveauet i p-type halvledere bevæger sig tættere på valencebåndet. Antallet af hulrum øges, mens antallet af elektroner falder sammenlignet med intrinsisk silicium. I p-type halvledere er hulrummerne majoritetsladningsbærere.

Intrinsisk ladningsbærerkoncentration i silicium

Når et elektron hopper fra valencebåndet til konduktionsbåndet på grund af termisk opspænding, oprettes frie ladningsbærere i begge bånd, nemlig elektroner i konduktionsbåndet og hulrum i valencebåndet. Koncentrationen af disse ladningsbærere kaldes intrinsisk ladningsbærerkoncentration. Praktisk set er antallet af hulrum (p) og elektroner (n) i rent eller intrinsisk siliciumkristal lige store, og de er lige store med den intrinsiske ladningsbærerkoncentration ni. Derfor, n = p = ni

Antallet af disse ladningsbærere afhænger af bandgap-energien. For silicium er bandgap-energien 1,2 eV ved 298oK, og den intrinsiske ladningsbærerkoncentration i silicium stiger med stigende temperatur. Den intrinsiske ladningsbærerkoncentration i silicium er givet ved,

Her, T = temperatur i absolut skala

Den intrinsiske ladningsbærerkoncentration ved 300oK er 1,01 × 1010 cm-3. Men den tidligere accepterede værdi er 1,5 × 1010 cm-3.