Τι είναι η Φυσική Σίλικα και η Εξωτερική Σίλικα;

Τι είναι η Εγγενής Σίλικα και η Εξωγενής Σίλικα;

Εγγενής Σίλικα

Η σίλικα είναι ένα βασικό στοιχείο που χρησιμοποιείται ως διάλυμα. Η σίλικα ανήκει στην ομάδα IV. Στο εξωτερικό της τροχιάς, έχει τέσσερα ηλεκτρόνια που είναι δεμένα με κοινόμορφα δεσμά με τα ηλεκτρόνια τεσσάρων γειτονικών ατόμων σίλικα. Αυτά τα ηλεκτρόνια δεν είναι διαθέσιμα για την ηλεκτρική φωτιά. Έτσι, στο 0oK, η εγγενής σίλικα συμπεριφέρεται ως αμβλυκόνδυτη. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, κάποια από τα ηλεκτρόνια λύνουν τα κοινόμορφα δεσμά λόγω θερμικής ενέργειας. Αυτό δημιουργεί ένα κενό, γνωστό ως τρύπα, όπου ήταν το ηλεκτρόνιο. Δηλαδή, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία μεγαλύτερη του 0oK, κάποια από τα ηλεκτρόνια στο κρύσταλλο διαλύματος αποκτούν αρκετή ενέργεια για να πηδήξουν από την ζώνη περιπέτειας στην ηλεκτροποιημένη ζώνη, αφήνοντας πίσω μια τρύπα στην ζώνη περιπέτειας. Αυτή η ενέργεια είναι περίπου 1,2 eV σε δωμάτιο (δηλ. στο 300oK), η οποία είναι ίση με την ενέργεια της διαστολής της σίλικα.

Στο κρύσταλλο εγγενούς σίλικα, το πλήθος των τρυπών είναι ίσο με το πλήθος των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Καθώς κάθε ηλεκτρόνιο, όταν απομακρύνεται από το κοινόμορφο δεσμό, συμβάλλει με μια τρύπα στο σπασμένο δεσμό. Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, νέα ζευγάρια ηλεκτρόνιο-τρύπα δημιουργούνται συνεχώς από θερμική ενέργεια, ενώ ένα ίσο πλήθος ζευγάριων επανασυνδέονται. Άρα, σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, σε μια συγκεκριμένη έκταση εγγενούς σίλικα, το πλήθος των ζευγάριων ηλεκτρόνιο-τρύπα παραμένει το ίδιο. Αυτή είναι μια συνθήκη ισορροπίας. Άρα, είναι φυσικό, στη συνθήκη ισορροπίας, η συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων n και η συγκέντρωση τρυπών p να είναι ίσες μεταξύ τους, και αυτό είναι τίποτα άλλο από την εγγενή συγκέντρωση φορέων φορτίου (ni). Δηλ. n = p = ni. Η ατομική δομή είναι εμφανής παρακάτω.

Εγγενής Σίλικα στο 0oK

Εγγενής Σίλικα σε Θερμοκρασία Δωματίου

Εξωγενής Σίλικα

Η εγγενής σίλικα μπορεί να μετατραπεί σε εξωγενή σίλικα όταν είναι παρεμβαλλομένη με ελεγχόμενο ποσοστό παρεμβαλλόντων. Όταν είναι παρεμβαλλομένη με δωρητικό άτομο (στοιχεία ομάδας V) γίνεται διάλυμα τύπου n και όταν είναι παρεμβαλλομένη με αποδεκτικά άτομα (στοιχεία ομάδας III) γίνεται διάλυμα τύπου p.

Ας προσθέσουμε μια μικρή ποσότητα στοιχείου ομάδας V σε ένα κρύσταλλο εγγενούς σίλικα. Παραδείγματα στοιχείων ομάδας V είναι το φωσφόρο (P), το αρσενικό (As), το αντιμόνιο (Sb) και το βισμούθιο (Bi). Έχουν πέντε ηλεκτρόνια περιπέτειας. Όταν αντικαθιστούν ένα άτομο Si, τα τέσσερα ηλεκτρόνια περιπέτειας δημιουργούν κοινόμορφα δεσμά με γειτονικά άτομα και το πέμπτο ηλεκτρόνιο, το οποίο δεν συμμετέχει στη δημιουργία του κοινόμορφου δεσμού, είναι ελαφρά συνδεδεμένο με το γονικό άτομο και μπορεί εύκολα να αποχωρήσει από το άτομο ως ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια που απαιτείται γι' αυτό, δηλ. για την αποδόση του πέμπτου ηλεκτρονίου, είναι περίπου 0,05 eV. Αυτό το είδος παρεμβαλλόντος ονομάζεται δωρητής, καθώς συμβάλλει ελεύθερα ηλεκτρόνια στο κρύσταλλο σίλικα. Η σίλικα είναι γνωστή ως τύπος n ή αρνητικός τύπος σίλικα, καθώς τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια.

Η ενέργεια Fermi πλησιάζει την ηλεκτροποιημένη ζώνη στο διάλυμα τύπου n. Εδώ, το πλήθος των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυξάνεται πέρα από την εγγενή συγκέντρωση ηλεκτρονίων. Από την άλλη, το πλήθος των τρυπών μειώνεται πέρα από την εγγενή συγκέντρωση τρυπών, καθώς υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα επανασύνδεσης λόγω της μεγαλύτερης συγκέντρωσης ελεύθερων ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια είναι οι πλειοψηφικοί φορείς φορτίου.

Εξωγενής Σίλικα με Πενταβαλέντη Παρεμβαλλόντα

Εάν προστεθεί μια μικρή ποσότητα στοιχείων ομάδας III σε ένα κρύσταλλο εγγενούς διαλύματος, τότε αντικαθιστούν ένα άτομο σίλικα, στοιχεία ομάδας III όπως AI, B, IN έχουν τρία ηλεκτρόνια περιπέτειας. Αυτά τα τρία ηλεκτρόνια δημιουργούν κοινόμορφα δεσμά με γειτονικά άτομα, δημιουργώντας μια τρύπα. Αυτά τα είδη παρεμβαλλόντων άτομα είναι γνωστά ως αποδέκτες. Το διάλυμα είναι γνωστό ως διάλυμα τύπου p, καθώς η τρύπα θεωρείται θετικά φορτισμένη.

Εξωγενής Σίλικα με Τριβαλέντη Παρεμβαλλόντα

Η ενέργεια Fermi στα διάλυματα τύπου p πλησιάζει την ζώνη περιπέτειας. Το πλήθος των τρυπών αυξάνεται, ενώ το πλήθος των ηλεκτρονίων μειώνεται σε σύγκριση με την εγγενή σίλικα. Στα διάλυματα τύπου p, οι τρύπες είναι οι πλειοψηφικοί φορείς φορτίου.

Εγγενής Συγκέντρωση Φορέων Φορτίου της Σίλικα

Όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδά από την ζώνη περιπέτειας στην ηλεκτροποιημένη ζώνη λόγω θερμικής ενέργειας, δημιουργούνται ελεύθεροι φορείς σε και τις δύο ζώνες, δηλ. ηλεκτρόνια στην ηλεκτροποιημένη ζώνη και τρύπες στην ζώνη περιπέτειας. Η συγκέντρωση αυτών των φορέων είναι γνωστή ως εγγενής συγκέντρωση φορέων. Πρακτικά, σε καθαρό ή εγγενή κρύσταλλο σίλικα, το πλήθος των τρυπών (p) και ηλεκτρονίων (n) είναι ίσα μεταξύ τους, και είναι ίσα με την εγγενή συγκέντρωση φορέων ni. Άρα, n = p = ni

Το πλήθος αυτών των φορέων εξαρτάται από την ενέργεια της διαστολής. Για τη σίλικα, η ενέργεια της διαστολής είναι 1,2 eV στο 298oK. Η εγγενής συγκέντρωση φορέων στη σίλικα αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η εγγενής συγκέντρωση φορέων στη σίλικα δίνεται από,

Εδώ, T = θερμοκρασία σε απόλυτη κλίμακα

Η εγγενής συγκέντρωση φορέων στο 300oK είναι 1,01 × 1010 cm-3. Ωστόσο, η προηγουμένως αποδεκτή τιμή είναι 1,5 × 1010 cm-3.