Ano ang Intrinsic Silicon at Extrinsic Silicon

Ano ang Intrinsic Silicon at Extrinsic Silicon?

Intrinsic Silicon

Ang silicon ay isang mahalagang elemento ng semiconductor. Ang silicon ay isang materyal na nasa grupo IV. Sa kanyang labas na orbit, mayroon itong apat na valence electrons na pinipigil ng covalent bonds sa mga valence electrons ng apat na karatig na silicon atoms. Ang mga valence electrons na ito ay hindi available para sa kuryente. Kaya, sa OoK, ang intrinsic silicon ay gumagana tulad ng insulator. Kapag tumaas ang temperatura, ilang mga valence electrons ang sumusunod sa kanilang covalent bonds dahil sa thermal energy. Ito ay lumilikha ng bakante, na kilala bilang hole, kung saan nasaan ang elektron. Sa ibang salita, sa anumang temperatura na mas mataas kaysa 0oK, ilang mga valence electrons sa semiconductor crystal ang nakakakuha ng sapat na enerhiya upang tumalon mula sa valance band patungong conduction band at iiwan ang isang hole sa valence band. Ang enerhiyang ito ay humigit-kumulang 1.2 eV sa temperatura ng silid (i.e. sa 300oK) na katumbas ng band gap energy ng silicon.

Sa intrinsic silicon crystal, ang bilang ng mga holes ay katumbas ng bilang ng mga free electrons. Dahil bawat elektron kapag umalis sa covalent bond ay nagbibigay ng hole sa nabawasan na bond. Sa tiyak na temperatura, bagong electron-hole pairs ang patuloy na nililikha ng thermal energy, habang ang parehong bilang ng mga pairs ay bumabalik. Kaya, sa tiyak na temperatura sa tiyak na volume ng insintric silicon, ang bilang ng electron-hole pairs ay nananatiling pareho. Ito ay isang kondisyon ng ekwilibriyo. Kaya, malinaw na sa kondisyong ito, ang concentration ng mga free electrons (n) at ang concentration ng mga holes (p) ay katumbas ng bawat isa, at ito ay wala kundi ang intrinsic charge carrier concentration (ni). i.e., n = p = ni. Ang atomic structure ay ipinapakita sa ibaba.

Intrinsic Silicon sa 0oK

Intrinsic Silicon sa Normal na Temperatura

Extrinsic Silicon

Ang intrinsic silicon ay maaaring maging extrinsic silicon kapag ito ay dinedope ng kontroladong halaga ng dopants. Kapag ito ay dinedope ng donor atom (group V elements), ito ay naging n-type semiconductor, at kapag ito ay dinedope ng acceptor atoms (group III elements), ito ay naging p-type semiconductor.

Kapag isinama ang kaunting halaga ng group V element sa isang intrinsic silicon crystal. Ang mga halimbawa ng group V elements ay phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) at bismuth (Bi). May limang valence electrons sila. Kapag sila ay nagsipa ng isang Si atom, ang apat na valence electrons ay gumagawa ng covalent bonds sa mga karatig na atoms, at ang ikalimang elektron na hindi sumasali sa paggawa ng covalent bond ay ligtas na nakakabit sa parent atom at maaari itong madaling umalis mula sa atom bilang isang libreng elektron. Ang enerhiya na kinakailangan para rito, o para sa paglabas ng ikalimang elektron, ay humigit-kumulang 0.05 eV. Ang uri ng impurity na ito ay tinatawag na donor dahil ito ay nagbibigay ng libreng elektron sa silicon crystal. Ang silicon ay kilala bilang n- type o negative type silicon dahil ang mga elektron ay negatibong na-charged particles.

Ang Fermi Energy Level ay lumalapit sa conduction band sa n-type silicon. Dito, ang bilang ng mga libreng elektron ay lumalaki higit sa intrinsic concentration ng mga elektron. Sa kabilang banda, ang bilang ng mga holes ay bumababa higit sa intrinsic hole concentration dahil may mas malaking probabilidad ng recombination dahil sa mas malaking concentration ng mga libreng elektron. Ang mga elektron ay majority charge carriers.

Extrinsic Silicon na may Pentavalent Impurity

Kapag isinama ang kaunting halaga ng group III elements sa isang intrinsic semiconductor crystal, ang mga ito ay sumasapi sa isang silicon atom, ang group III elements tulad ng AI, B, IN ay may tatlong valence electrons. Ang tatlong electrons na ito ay gumagawa ng covalent bonds sa mga karatig na atoms, lumilikha ng isang hole. Ang mga uri ng impurity atoms na ito ay kilala bilang acceptors. Ang semiconductor ay kilala bilang p-type semiconductor dahil ang hole ay inaasamang positibong na-charged.

Extrinsic Silicon na may Trivalent Impurity

Ang Fermi energy level sa p-type semiconductors ay lumalapit sa valence band. Ang bilang ng mga holes ay lumalaki, samantalang ang bilang ng mga elektron ay bumababa kumpara sa intrinsic silicon. Sa p-type semiconductors, ang mga holes ang majority charge carriers.

Intrinsic Carrier Concentration ng Silicon

Kapag tumalon ang isang elektron mula sa valence band patungong conduction band dahil sa thermal excitation, ang mga libreng carriers ay nililikha sa parehong bands, na ang elektron ay nasa conduction band at ang hole naman ay nasa valence band. Ang concentration ng mga carriers na ito ay kilala bilang intrinsic carrier concentration. Sa praktikal, sa malinis o intrinsic silicon crystal, ang bilang ng mga holes (p) at elektron (n) ay katumbas ng bawat isa, at sila ay katumbas ng intrinsic carrier concentration ni. Kaya, n = p = ni

Ang bilang ng mga carriers na ito ay depende sa band gap energy. Para sa silicon, ang band gap energy ay 1.2 eV sa 298oK, ang intrinsic carrier concentration sa silicon ay lumalaki kasabay ng pagtaas ng temperatura. Ang intrinsic carriers concentration sa silicon ay ibinibigay ng,

Dito, T = temperatura sa absolute scale

Ang intrinsic carrier concentration sa 300oK ay 1.01 × 1010 cm-3. Ngunit ang dating tinanggap na halaga ay 1.5 × 1010 cm-3.