Was sind intrinsisches Silizium und extrinsisches Silizium?

Was sind intrinsisches und extrinsisches Silizium?

Intrinsisches Silizium

Silizium ist ein wichtiges Halbleiterelement. Es gehört zur Gruppe IV. In seiner äußeren Schale hat es vier Valenzelektronen, die durch kovalente Bindungen mit den Valenzelektronen der vier benachbarten Siliziumatome gebunden sind. Diese Valenzelektronen sind nicht für den Stromverkehr verfügbar. Daher verhält sich intrinsisches Silizium bei 0 K wie ein Isolator. Bei steigender Temperatur brechen einige Valenzelektronen aufgrund thermischer Energie ihre kovalenten Bindungen. Dies führt zu einer Vakanz, die als Loch bezeichnet wird, wo das Elektron war. Mit anderen Worten, bei jeder Temperatur, die höher als 0 K ist, erhalten einige der Valenzelektronen im Halbleiterkristall genug Energie, um von der Valenzband in das Leitungsband zu springen und hinterlassen dabei ein Loch im Valenzband. Diese Energie beträgt etwa 1,2 eV bei Raumtemperatur (d.h. bei 300 K), was der Bandlücke des Siliziums entspricht.

Im intrinsischen Siliziumkristall ist die Anzahl der Löcher gleich der Anzahl der freien Elektronen. Da jedes Elektron, wenn es die kovalente Bindung verlässt, ein Loch in der gebrochenen Bindung hinterlässt. Bei einer bestimmten Temperatur werden durch thermische Energie ständig neue Elektron-Loch-Paare erzeugt, während eine gleiche Anzahl von Paaren rekombiniert. Daher bleibt in einem bestimmten Volumen intrinsischen Siliziums bei einer bestimmten Temperatur die Anzahl der Elektron-Loch-Paare gleich. Dies ist ein Gleichgewichtszustand. Daher ist es offensichtlich, dass im Gleichgewichtszustand die Konzentration der freien Elektronen n und die Konzentration der Löcher p gleich sind, und dies ist nichts anderes als die intrinsische Ladungsträgerkonzentration (ni). D.h., n = p = ni. Die atomare Struktur ist unten dargestellt.

Intrinsisches Silizium bei 0 K

Intrinsisches Silizium bei Raumtemperatur

Extrinsisches Silizium

Intrinsisches Silizium kann in extrinsisches Silizium verwandelt werden, wenn es mit einer kontrollierten Menge von Dotierstoffen dotiert wird. Wenn es mit Donoratomen (Elemente der Gruppe V) dotiert wird, wird es zu einem n-dotierten Halbleiter, und wenn es mit Akzeptoratomen (Elemente der Gruppe III) dotiert wird, wird es zu einem p-dotierten Halbleiter.

Wenn eine kleine Menge eines Elementes der Gruppe V zu einem intrinsischen Siliziumkristall hinzugefügt wird, sind Beispiele für Elemente der Gruppe V Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismut (Bi). Sie haben fünf Valenzelektronen. Wenn sie ein Si-Atom ersetzen, bilden vier Valenzelektronen kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen, und das fünfte Elektron, das nicht an der Bildung der kovalenten Bindung beteiligt ist, ist lose am Elternatom gebunden und kann leicht als freies Elektron abgegeben werden. Die Energie, die dafür notwendig ist, beträgt etwa 0,05 eV. Diese Art von Verunreinigung wird als Donor bezeichnet, da sie freie Elektronen zum Siliziumkristall beiträgt. Das Silizium wird als n-Typ oder negativer Typ bezeichnet, da die Elektronen negativ geladen sind.

Die Fermi-Energieniveau rückt im n-dotierten Silizium näher an das Leitungsband heran. Hier ist die Anzahl der freien Elektronen über die intrinsische Elektronenkonzentration erhöht. Andererseits sinkt die Anzahl der Löcher unter der intrinsischen Lochkonzentration, da die Wahrscheinlichkeit der Rekombination aufgrund der größeren Anzahl freier Elektronen höher ist. Elektronen sind die Mehrheitsladungsträger.

Extrinsisches Silizium mit Pentavalenter Verunreinigung

Wenn eine kleine Menge von Elementen der Gruppe III zu einem intrinsischen Halbleiterkristall hinzugefügt wird, dann ersetzen sie ein Siliziumatom. Elemente der Gruppe III wie AI, B, IN haben drei Valenzelektronen. Diese drei Elektronen bilden kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen und erzeugen ein Loch. Diese Art von Verunreinigungsatomen wird als Akzeptoren bezeichnet. Der Halbleiter wird als p-dotierter Halbleiter bezeichnet, da das Loch als positiv geladen angenommen wird.

Extrinsisches Silizium mit Trivalenten Verunreinigung

Das Fermi-Energieniveau in p-dotierten Halbleitern rückt näher an das Valenzband heran. Die Anzahl der Löcher nimmt zu, während die Anzahl der Elektronen im Vergleich zu intrinsischem Silizium sinkt. In p-dotierten Halbleitern sind Löcher die Mehrheitsladungsträger.

Intrinsische Ladungsträgerkonzentration von Silizium

Wenn ein Elektron aufgrund thermischer Erregung vom Valenzband in das Leitungsband springt, werden freie Ladungsträger in beiden Bändern erzeugt, nämlich Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband. Die Konzentration dieser Ladungsträger wird als intrinsische Ladungsträgerkonzentration bezeichnet. Praktisch in reinem oder intrinsischem Siliziumkristall ist die Anzahl der Löcher (p) und Elektronen (n) gleich, und sie entsprechen der intrinsischen Ladungsträgerkonzentration ni. Daher gilt: n = p = ni

Die Anzahl dieser Ladungsträger hängt von der Bandlücke ab. Für Silizium beträgt die Bandlücke 1,2 eV bei 298 K. Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration in Silizium steigt mit der Temperatur. Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration in Silizium wird gegeben durch,

Hierbei ist T die Temperatur in absoluten Einheiten.

Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration bei 300 K beträgt 1,01 × 1010 cm-3. Der vorher akzeptierte Wert war jedoch 1,5 × 1010 cm-3.