چه هستند سیلیکون ذاتی و سیلیکون غیر ذاتی
چه کسی سیلیکون ذاتی و سیلیکون غیر ذاتی است؟
سیلیکون ذاتی
سیلیکون عنصری مهم در نیمه‌رساناها است. سیلیکون ماده‌ای از گروه چهارم است. در مدار خارجی آن، چهار الکترون والانس وجود دارد که با الکترون‌های والانس چهار اتم سیلیکون مجاور با پیوند کووالانسی متصل شده‌اند. این الکترون‌های والانس برای رسانایی برق در دسترس نیستند. بنابراین، در صفر کلوین (0K) سیلیکون ذاتی مانند یک عایق عمل می‌کند. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، برخی از الکترون‌های والانس به دلیل انرژی حرارتی پیوند کووالانسی خود را می‌شکنند. این امر منجر به ایجاد یک خالی جایی که الکترون قبلاً بوده است. به عبارت دیگر، در هر دمای بالاتر از صفر کلوین (0K)، برخی از الکترون‌های والانس در بلور نیمه‌رسانا انرژی کافی برای پرش از باند والانس به باند رسانایی و ترک یک حفره در باند والانس بدست می‌آورند. این انرژی در دمای اتاق (300K) حدود 1.2 eV است که برابر با انرژی فاصله باند سیلیکون است.
در بلور سیلیکون ذاتی، تعداد حفره‌ها برابر با تعداد الکترون‌های آزاد است. زیرا هر الکترونی که پیوند کووالانسی خود را ترک می‌کند، یک حفره در پیوند شکسته شده ایجاد می‌کند. در دمای مشخصی، جفت‌های الکترون-حفره به طور مداوم توسط انرژی حرارتی ایجاد می‌شوند، در حالی که تعداد مساوی از جفت‌ها با هم ترکیب می‌شوند. بنابراین، در دمای خاصی در حجم معینی از سیلیکون ذاتی، تعداد جفت‌های الکترون-حفره ثابت می‌ماند. این یک وضعیت تعادلی است. بنابراین، واضح است که در شرایط تعادلی، غلظت الکترون‌های آزاد n و غلظت حفره‌ها p با یکدیگر برابر هستند، و این دقیقاً غلظت حامل‌های شارجه ذاتی (ni) است. یعنی n = p = ni. ساختار اتمی در زیر نشان داده شده است.
سیلیکون ذاتی در 0K
سیلیکون ذاتی در دمای اتاق
سیلیکون غیر ذاتی
سیلیکون ذاتی می‌تواند به سیلیکون غیر ذاتی تبدیل شود وقتی با مقدار کنترل شده از آلاینده‌ها دوپ شود. اگر با اتم‌های دهنده (عناصر گروه پنجم) دوپ شود، به نیمه‌رسانا نوع n تبدیل می‌شود و اگر با اتم‌های قبول‌کننده (عناصر گروه سوم) دوپ شود، به نیمه‌رسانا نوع p تبدیل می‌شود.
فرض کنید مقدار کمی از عناصر گروه پنجم به بلور سیلیکون ذاتی اضافه شود. نمونه‌هایی از عناصر گروه پنجم شامل فسفر (P)، آرسنیک (As)، آنتیموان (Sb) و بیسموت (Bi) هستند. آنها پنج الکترون والانس دارند. وقتی یکی از این عناصر یک اتم سیلیکون را جایگزین می‌کند، چهار الکترون والانس با اتم‌های مجاور پیوند کووالانسی می‌سازند و پنجمین الکترون که در تشکیل پیوند کووالانسی شرکت نمی‌کند به صورت آزاد به اتم مادر متصل می‌شود و می‌تواند به راحتی به عنوان یک الکترون آزاد از آن جدا شود. انرژی لازم برای آزاد کردن این پنجمین الکترون در سیلیکون حدود 0.05 eV است. این نوع آلاینده به عنوان دهنده شناخته می‌شود زیرا الکترون‌های آزاد را به بلور سیلیکون اضافه می‌کند. سیلیکون به عنوان سیلیکون نوع n یا سیلیکون منفی شناخته می‌شود زیرا الکترون‌ها ذرات منفی هستند.
سطح انرژی فرمی در سیلیکون نوع n به باند رسانایی نزدیک می‌شود. در اینجا تعداد الکترون‌های آزاد از غلظت ذاتی الکترون‌ها افزایش می‌یابد. از طرف دیگر، تعداد حفره‌ها نسبت به غلظت ذاتی حفره‌ها کاهش می‌یابد زیرا احتمال ترکیب بیشتر است به دلیل تعداد بیشتر الکترون‌های آزاد. الکترون‌ها حامل‌های شارجه اکثریت هستند.
سیلیکون غیر ذاتی با آلاینده پنج‌والانسی
اگر مقدار کمی از عناصر گروه سوم به بلور نیمه‌رسانا ذاتی اضافه شود، آنها یک اتم سیلیکون را جایگزین می‌کنند. عناصر گروه سوم مانند آلومینیوم (Al)، بور (B) و ایندیوم (In) سه الکترون والانس دارند. این سه الکترون پیوند کووالانسی با اتم‌های مجاور می‌سازند و یک حفره ایجاد می‌کنند. این نوع آلاینده‌ها به عنوان قبول‌کننده شناخته می‌شوند. نیمه‌رسانا به عنوان سیلیکون نوع p شناخته می‌شود زیرا حفره به عنوان ذره مثبت شناخته می‌شود.
سیلیکون غیر ذاتی با آلاینده سه‌والانسی
سطح انرژی فرمی در نیمه‌رسانا‌های نوع p به باند والانس نزدیک می‌شود. تعداد حفره‌ها افزایش می‌یابد، در حالی که تعداد الکترون‌ها نسبت به سیلیکون ذاتی کاهش می‌یابد. در نیمه‌رسانا‌های نوع p، حفره‌ها حامل‌های شارجه اکثریت هستند.
غلظت حامل‌های شارجه ذاتی سیلیکون
وقتی یک الکترون به دلیل تحریک حرارتی از باند والانس به باند رسانایی می‌پرد، حامل‌های آزاد در هر دو باند ایجاد می‌شوند که الکترون در باند رسانایی و حفره در باند والانس. غلظت این حامل‌ها به عنوان غلظت حامل‌های شارجه ذاتی شناخته می‌شود. در عمل در بلور سیلیکون خالص یا ذاتی تعداد حفره‌ها (p) و الکترون‌ها (n) با یکدیگر برابر هستند و برابر با غلظت حامل‌های شارجه ذاتی ni هستند. بنابراین، n = p = ni
تعداد این حامل‌ها به انرژی فاصله باند بستگی دارد. برای سیلیکون، انرژی فاصله باند 1.2 eV در 298K است. غلظت حامل‌های شارجه ذاتی در سیلیکون با افزایش دما افزایش می‌یابد. غلظت حامل‌های شارجه ذاتی در سیلیکون به صورت زیر داده می‌شود:
در اینجا، T = دما در مقیاس مطلق
غلظت حامل‌های شارجه ذاتی در 300K برابر 1.01 × 1010 cm-3 است. اما مقدار پذیرفته شده قبلی 1.5 × 1010 cm-3 است.
