Mitä ovat inhertsiivinen puhtaasi ja ekstrinsiivinen puhtaasi

Mitä ovat inheerentti silikoni ja ekseherentti silikoni?

Inheerentti silikoni

Silikoni on tärkeä elementtisemiconductor. Silikoni kuuluu ryhmään IV. Ulkoisella orbiittinsa sillä on neljä valenssielektronia, jotka sidotaan kovalenttisilla siteillä viereisten silikoniatomien valenssielektronien kanssa. Nämä valenssielektronit eivät ole käytettävissä sähkökyvyn tuottamiseen. Joten, nollakelvinessa (0oK) inheerentti silikoni käyttäytyy eristäjän tavoin. Kun lämpötila nousee, jotkut valenssielektronit rikkovat kovalenttiset siteensä lämpöenergian vuoksi. Tämä luo tyhjiön, jota kutsutaan pisteeksi, jossa elektroni oli. Toisin sanoen, mikä tahansa lämpötila, joka on suurempi kuin 0oK, johtaa siihen, että jotkut semimateriaalin kristallin valenssielektronit saavat riittävästi energiaa hypätäksesi konduktiobändiin valenssibändistä ja jättävät takanaan pisteet valenssibändiin. Tämä energia on noin 1.2 eV huoneen lämpötilassa (eli 300oK), mikä vastaa silikonin bändivaikutusenergiaa.

Inheerentissa silikonikristallissa pistemäärä on yhtä suuri kuin vapaiden elektronien määrä. Koska jokainen elektroni, kun se poistuu kovalenttisesta siteestä, lisää pisteen rikkuneeseen siteeseen. Tietyssä lämpötilassa uudet elektroni-piste-parit luodaan jatkuvasti lämpöenergian avulla, samalla kun yhtä monta paria yhdistyy. Siksi tietyssä lämpötilassa tietyssä tilavuudessa inheerenttissä silikonissa elektroni-piste-parien määrä pysyy samana. Tämä on tasapainotila. Siispä on ilmeistä, että tasapainotilassa vapaiden elektronien pitoisuus n ja pistemäärä p ovat yhtä suuret toisilleen, ja tämä on sama kuin inheerenttinen latauskantajapitoisuus (ni). Eli, n = p = ni. Atomirakenne on näkyvissä alla.

Inheerentti silikoni 0oK:ssa

Inheerentti silikoni huoneenlämpötilassa

Ekseherentti silikoni

Inheerentti silikoni voidaan muuttaa ekseherentiksi silikoniksi, kun sitä doppaillaan kontrolloidulla määrällä dopanttia. Jos sitä doppaillaan antajatomeilla (ryhmä V alkuaineet), se muuttuu n-tyypiksi semiconductoriksi, ja kun sitä doppaillaan hyväksyjäatomeilla (ryhmä III alkuaineet), se muuttuu p-tyypiksi semiconductoriksi.

Jos pieni määrä ryhmä V alkuainetta lisätään inheerenttiin silikonikristalliin, esimerkiksi fosfori (P), arseeni (As), antimon (Sb) ja vismut (Bi), joilla on viisi valenssielektronia. Kun ne siirtävät Si-atomin, neljä valenssielektronia muodostavat kovalenttisia siteitä naapuriatomeihin, ja viides elektroni, joka ei osallistu kovalenttisen siteen muodostamiseen, on vapaasti kiinnitetty vanhemman atomin ja voi helposti jättää atomia vapaana elektronina. Energia, joka tarvitaan silikonin tähän tarkoitukseen, eli viidennen elektronin vapauttamiseen, on noin 0.05 eV. Tällaisia epäpuhtauksia kutsutaan antajiksi, koska ne tuovat vapaat elektronit silikonikristalliin. Silikonia kutsutaan n-tyypiksi tai negatiiviseksi silikoksi, koska elektronit ovat negatiivisesti ladattuja hiukkasia.

Fermi-energiataso siirtyy lähemmäksi konduktiobändiä n-tyypissä silikonissa. Tässä vapaat elektronit ovat lisääntyneet inheerenttisestä elektronipitoisuudesta. Toisaalta, pistemäärä on vähentynyt inheerenttisestä pistepitoisuudesta, koska on suurempi todennäköisyys yhdistymiselle suuremmasta vapaan elektronin pitoisuudesta. Elektronit ovat enemmistölatauskantajia.

Ekseherentti silikoni pentavalenttien epäpuhtauksien kanssa

Jos pieni määrä ryhmä III alkuainetta lisätään inheerenttiin semimateriaalikristalliin, ne siirtävät silikoniatomin, ryhmä III alkuaineet, kuten AI, B, IN, joilla on kolme valenssielektronia. Nämä kolme elektronia muodostavat kovalenttisia siteitä naapuriatomeihin, luoden pisteen. Tällaisia epäpuhtausatomeja kutsutaan hyväksyjinä. Semimateriaali on tunnettu p-tyypinä, koska piste oletetaan positiivisesti ladatuksi.

Ekseherentti silikoni trivalenttien epäpuhtauksien kanssa

Fermi-energiataso p-tyypissä semimateriaaleissa siirtyy lähemmäksi valenssibändiä. Pistemäärä kasvaa, kun taas elektronien määrä vähenee verrattuna inheerenttiin silikoniin. P-tyypissä semimateriaaleissa pistet on enemmistölatauskantajia.

Inheerenttinen latauskantajapitoisuus silikonissa

Kun elektroni hypähtää valenssibändistä konduktiobändiin lämpöenergian ansiosta, vapaat latauskantajat luodaan molemmissa bändeissä, eli elektronit konduktiobändissä ja pistet valenssibändissä. Nämä latauskantajien pitoisuudet tunnetaan inheerenttinä latauskantajapitoisuutena. Käytännössä puhtaassa tai inheerentissä silikonikristallisessa pistemäärä (p) ja elektronien määrä (n) ovat yhtä suuret toisilleen, ja ne ovat yhtä suuret kuin inheerenttinen latauskantajapitoisuus ni. Siksi, n = p = ni

Nämä latauskantajien määrät riippuvat bändivaikutusenergiasta. Silikonin kohdalla bändivaikutusenergia on 1.2 eV 298oK:ssa, inheerenttinen latauskantajapitoisuus silikonissa kasvaa lämpötilan nousessa. Inheerenttinen latauskantajapitoisuus silikonissa annetaan kaavalla,

Tässä, T = lämpötila absoluuttisella asteikolla

Inheerenttinen latauskantajapitoisuus 300oK:ssa on 1.01 × 1010 cm-3. Mutta aiemmin hyväksytty arvo on 1.5 × 1010 cm-3.