Mis on intriinsiline silitsium ja ekstriinsiline silitsium?

Mis on intriinse silitsium ja ekstriinse silitsium?

Intriinse silitsium

Silitsium on oluline elemendiseemiid. Silitsium kuulub IV gruppi. Selle välisorbitil on neljas valentsne elektron, mis on sidus kovalentsete sidega neli naabersiltsiumatomi valentssete elektronidega. Need valentsed elektronid ei ole saadaval elektritööks. Seega käitub intriinse silitsium 0oK temperatuuril isolaatorkena. Kui temperatuur tõuseb, võtavad mõned valentsed elektronid oma kovalentseid side lahti termilise energia tõttu. See loob tühi koht, mida nimetatakse auksiks, kus elektron oli. Teisisõnu, ükskõik millisel suuremal kui 0oK temperatuuril, osa semimduuri kristalli valentssetest elektronidest saavutavad piisava energiat, et hüppata juhtivast valentsbandist ja jätta taga auksi valentsbandis. See energia on umbes 1.2 eV ruumitemperatuuril (st 300oK), mis vastab silitsiumi bändivaheenergiale.

Intriinses silitsiumikristallis on aukside arv võrdne vaba elektronide arvuga. Kuna iga elektron, kui see jätab kovalentsi side, annab puhkeva sidele auksi. Määratud temperatuuril luuakse pidevalt uusi elektron-auksi paaride termilise energia tõttu, samal ajal kui sama arv paaride taasühineb. Seega jääb kindlas temperatuuris teatud mahtus intriinse silitsiumi elektron-auksi paari arv sama. See on tasakaalusolev tingimus. Seega on selge, et tasakaalusolevas tingimusel on vaba elektronide kontsentratsioon n ja aukside kontsentratsioon p võrdsed, ja see on midagi muud kui intriinse ladungaandja kontsentratsioon (ni). st, n = p = ni. Aatomiline struktuur on näidatud allpool.

Intriinse silitsium 0oK temperatuuril

Intriinse silitsium ruumitemperatuuril

Ekstriinse silitsium

Intriinset silitsiumit saab ekstriinseks, kui sellele lisatakse kontrollitud koguses dopant. Kui sellele lisatakse andur-atome (V grupp), saab see n-tüübi semimduuriks, ja kui sellele lisatakse aktseptor-atome (III grupp), saab see p-tüübi semimduuriks.

Oletagem, et intriinse silitsiumikristallile lisatakse väike kogus V grupp elementi. V grupp elementide näited on fosfor (P), arseen (As), antimon (Sb) ja vaabium (Bi). Neil on viis valentsset elektroni. Kui need asendavad Si atomi, siis neljas valentsne elektron moodustab kovalentsed side naaberatomitega, ja viies elektron, mis ei osale kovalentsi side moodustamises, on vabalt seotud emaatomiga ja võib lihtsalt lahkuks vaba elektronina. Energia, mis on vaja selleks, et vabastada see viies elektron, on umbes 0.05 eV. Sellist impuriti nimetatakse anduriks, kuna see panustab vaba elektronite silitsiumikristalli. Silitsium on teada n-tüübi või negatiivse tüübi silitsiumina, kuna elektronid on negatiivselt laetud osakesed.

Fermi energia tase läheneb n-tüübi silitsiumis juhtivale bandile. Siin on vaba elektronide arv suurem kui intriinse elektronide kontsentratsioon. Teisalt on aukside arv väiksem kui intriinse aukside kontsentratsioon, kuna vaba elektronide suurema kontsentratsiooni tõttu on suurem tõenäosus taasühinemiseks. Elektronid on enamiku ladungaandjateks.

Ekstriinse silitsium pentavalentsel impuritil

Kui intriinsele semimduuri kristallile lisatakse väike kogus III grupp elementi, siis need asendavad silitsiumatomi, III grupp elementide näited on AI, B, IN, neil on kolm valentsset elektroni. Need kolm elektroni moodustavad kovalentsed side naaberatomitega, loodes auksi. Sellist impuriti atomit nimetatakse aktseptoriks. Semimduur on teada p-tüübi semimduurina, kuna auksi eeldatakse positiivselt laetuna.

Ekstriinse silitsium trivalentsel impuritil

Fermi energia tase p-tüübi semimduurides läheneb valentsbandile. Aukside arv suureneb, samal ajal kui elektronide arv vähenekse intriinse silitsiumi suhtes. P-tüübi semimduurides on auksid enamiku ladungaandjateks.

Intriinse ladungaandja kontsentratsioon silitsiumis

Kui elektron hüppab termilise eksituse tõttu valentsbandist juhtivasse bandi, luuakse mõlemas bandis vabad ladungaandjad, mis on elektron juhtivas bandis ja auksis valentsbandis. Nende ladungaandjate kontsentratsiooni nimetatakse intriinseks ladungaandja kontsentratsiooniks. Praktikas puhas või intriinse silitsiumikristallis on aukside (p) ja elektronide (n) arv võrdne, ja nad on võrdsed intriinse ladungaandja kontsentratsiooniga ni. Seega, n = p = ni

Nende ladungaandjate arv sõltub bändivaheenergiast. Silitsiumi puhul on bändivaheenergia 1.2 eV 298oK temperatuuril, intriinse ladungaandja kontsentratsioon silitsiumis kasvab temperatuuri tõusuga. Intriinse ladungaandja kontsentratsioon silitsiumis on antud valemiga,

Siin, T = temperatuur absoluutses skaalas

Intriinse ladungaandja kontsentratsioon 300oK temperatuuril on 1.01 × 1010 cm-3. Aga varasemaks aktsepteeritud väärtus on 1.5 × 1010 cm-3.