چه چیزی سیلیکون ذاتی و سیلیکون غیر ذاتی است

سیلیکون ذاتی و سیلیکون خارجی چیست؟

سیلیکون ذاتی

سیلیکون یک عنصر حیاتی در نیمه‌رساناها است. سیلیکون ماده‌ای از گروه چهارم است. در مدار بیرونی آن چهار الکترون والانس وجود دارد که با الکترون‌های والانس چهار اتم سیلیکون مجاور با پیوند کووالانسی متصل هستند. این الکترون‌های والانس برای رسانایی الکتریکی در دسترس نیستند. بنابراین، در دمای صفر کلوین (OoK)، سیلیکون ذاتی مانند یک عایق عمل می‌کند. وقتی دما افزایش می‌یابد، برخی از الکترون‌های والانس به دلیل انرژی حرارتی پیوند کووالانسی خود را می‌شکنند. این امر منجر به ایجاد یک خالی جایی می‌شود که الکترون بوده است. به عبارت دیگر، در هر دمایی بالاتر از صفر کلوین، برخی از الکترون‌های والانس در بلور نیمه‌رسانا انرژی کافی را به دست می‌آورند تا از باند والانس به باند رسانایی پرش کنند و یک خالی در باند والانس برجای می‌گذارند. این انرژی در دمای اتاق (300 کلوین) حدود 1.2 الکترون‌ولت (eV) است که برابر با انرژی فاصله باند سیلیکون است.

در بلور سیلیکون ذاتی، تعداد خالی‌ها برابر با تعداد الکترون‌های آزاد است. زیرا هر الکترونی که پیوند کووالانسی خود را ترک می‌کند، یک خالی در پیوند شکسته شده ایجاد می‌کند. در یک دمای مشخص، جفت‌های الکترون-خالی جدید به طور مداوم با انرژی حرارتی ایجاد می‌شوند، در حالی که تعداد مساوی از جفت‌ها با هم ترکیب می‌شوند. بنابراین، در یک دمای خاص در حجم معینی از سیلیکون ذاتی، تعداد جفت‌های الکترون-خالی ثابت می‌ماند. این یک وضعیت تعادل است. بنابراین، واضح است که در شرایط تعادل، غلظت الکترون‌های آزاد n و غلظت خالی‌ها p با یکدیگر برابر هستند، و این همان غلظت حامل‌های شار ذاتی (ni) است. یعنی، n = p = ni. ساختار اتمی در زیر نشان داده شده است.

سیلیکون ذاتی در دمای 0 کلوین

سیلیکون ذاتی در دمای اتاق

سیلیکون خارجی

سیلیکون ذاتی می‌تواند به سیلیکون خارجی تبدیل شود وقتی با مقدار کنترل شده‌ای از آلاینده‌ها دوپ شود. اگر با اتم‌های اهداکننده (عناصر گروه پنجم) دوپ شود، نیمه‌رسانای نوع n می‌شود و اگر با اتم‌های قبول‌کننده (عناصر گروه سوم) دوپ شود، نیمه‌رسانای نوع p 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 یک اتم سیلیکون را جایگزین می‌کنند، چهار الکترون والانس با اتم‌های مجاور پیوند کووالانسی می‌سازند و الکترون پنجم که در تشکیل پیوند کووالانسی شرکت نمی‌کند به صورت آزاد به اتم پدر متصل می‌شود و می‌تواند به راحتی به عنوان یک الکترون آزاد از اتم جدا شود. انرژی لازم برای این کار، یعنی آزاد کردن الکترون پنجم حدود 0.05 الکترون‌ولت (eV) است. این نوع آلاینده به عنوان اهداکننده 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 ناحیه رسانایی نزدیک می‌شود. در اینجا تعداد الکترون‌های آزاد از غلظت ذاتی الکترون‌ها افزایش می‌یابد. از طرف دیگر، تعداد خالی‌ها نسبت به غلظت ذاتی خالی‌ها کاهش می‌یابد زیرا احتمال ترکیب بیشتر است به دلیل تعداد بیشتر الکترون‌های آزاد. الکترون‌ها حامل‌های شار اکثریت هستند.

سیلیکون خارجی با آلاینده پنج‌والانسی

اگر مقدار کمی از عناصر گروه سوم به بلور نیمه‌رسانای ذاتی اضافه شود، آنها یک اتم سیلیکون را جایگزین می‌کنند. عناصر گروه سوم مانند آلومینیوم (AI)، بور (B)، ایندیم (IN) سه الکترون والانس دارند. این سه الکترون پیوند کووالانسی با اتم‌های مجاور می‌سازند و یک خالی ایجاد می‌کنند. این نوع آلاینده‌ها به عنوان قبول‌کننده شناخته می‌شوند. نیمه‌رسانا به عنوان نیمه‌رسانای نوع p شناخته می‌شود زیرا خالی به عنوان ذره مثبت شار متصور می‌شود.

سیلیکون خارجی با آلاینده سه‌والانسی

سطح انرژی فرمی در نیمه‌رساناهای نوع p به ناحیه والانس نزدیک می‌شود. تعداد خالی‌ها افزایش می‌یابد، در حالی که تعداد الکترون‌ها نسبت به سیلیکون ذاتی کاهش می‌یابد. در نیمه‌رساناهای نوع p، خالی‌ها حامل‌های شار اکثریت هستند.

غلظت حامل‌های شار ذاتی سیلیکون

وقتی یک الکترون به دلیل تحریک حرارتی از باند والانس به باند رسانایی پرش می‌کند، حامل‌های شار آزاد در هر دو باند ایجاد می‌شوند که شامل الکترون در باند رسانایی و خالی در باند والانس است. غلظت این حامل‌ها به عنوان غلظت حامل‌های شار ذاتی شناخته می‌شود. در عمل، در بلور سیلیکون خالص یا ذاتی، تعداد خالی‌ها (p) و الکترون‌ها (n) با یکدیگر برابر هستند و برابر با غلظت حامل‌های شار ذاتی ni هستند. بنابراین، n = p = ni

تعداد این حامل‌ها به انرژی فاصله باند بستگی دارد. برای سیلیکون، انرژی فاصله باند 1.2 الکترون‌ولت (eV) در دمای 298 کلوین است. غلظت حامل‌های شار ذاتی در سیلیکون با افزایش دما افزایش می‌یابد. غلظت حامل‌های شار ذاتی در سیلیکون به صورت زیر داده می‌شود:

در اینجا، T = دما در مقیاس مطلق

غلظت حامل‌های شار ذاتی در دمای 300 کلوین 1.01 × 1010 cm-3 است. اما مقدار قبلی مورد قبول 1.5 × 1010 cm-3 بود.