Que son o silicio intrínseco e o silicio extrínseco

Qué son o silicio intrínseco e o silicio extrínseco?

Silicio intrínseco

O silicio é un elemento semiconductivo vital. O silicio é un material do grupo IV. Na súa órbita exterior, ten catro eléctrons de valencia que están ligados por enlaces covalentes cos eléctrons de valencia de catro átomos de silicio adxacentes. Estes eléctrons de valencia non están dispoñibles para a electricidade. Polo tanto, a 0oK, o silicio intrínseco comportase como un aislante. Cando a temperatura aumenta, algúns eléctrons de valencia rompen os seus enlaces covalentes debido á enerxía térmica. Isto crea unha vacancia, coñecida como buraco, onde estaba o electrón. En outras palabras, a calquera temperatura maior que 0oK, algunhas dos eléctrons de valencia no cristal semiconductor gañan suficiente enerxía para saltar da banda de valencia á banda de conducción, deixando atrás un buraco na banda de valencia. Esta enerxía é aproximadamente igual a 1,2 eV a temperatura ambiente (é dicir, a 300oK), que é igual á enerxía de banda do silicio.

No cristal de silicio intrínseco, o número de buracos é igual ao número de eléctrons libres. xa que cada electrón cando abandona o enlace covalente contribúe con un buraco no enlace roto. A unha determinada temperatura, novas parellas electrón-buraco son continuamente creadas pola enerxía térmica, mentres que un número igual de parellas se recombinan. Polo tanto, a unha temperatura particular nun certo volume de silicio intrínseco, o número de parellas electrón-buraco permanece o mesmo. Esta é unha condición de equilibrio. Polo tanto, é obvio que, na condición de equilibrio, a concentración de eléctrons libres n e a concentración de buracos p son iguais entre si, e isto non é máis que a concentración de portadores de carga intrínsecos (ni). é dicir, n = p = ni. A estrutura atómica amóstrase a continuación.

Silicio intrínseco a 0oK

Silicio intrínseco a temperatura ambiente

Silicio extrínseco

O silicio intrínseco pode convertirse en silicio extrínseco cando se dopa con unha cantidade controlada de dopantes. Se se dopa con un átomo dador (elementos do grupo V) converteuse nun semiconductor de tipo n, e cando se dopa con átomos aceptores (elementos do grupo III) converteuse nun semiconductor de tipo p.

Supoñamos que se engade unha pequena cantidade de elementos do grupo V a un cristal de silicio intrínseco. Exemplos de elementos do grupo V son o fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb) e bismuto (Bi). Teñen cinco eléctrons de valencia. Cando desprazan un átomo de Si, os catro eléctrons de valencia forman enlaces covalentes con átomos veciños e o quinto electrón, que non participa na formación do enlace covalente, está débilmente unido ao átomo pai e pode deixalo facilmente como un electrón libre. A enerxía necesaria para este propósito, é dicir, para liberar ese quinto electrón, é de aproximadamente 0,05 eV. Este tipo de impureza chámase dador porque contribúe con eléctrons libres ao cristal de silicio. O silicio coñécese como silicio de tipo n ou silicio negativo, xa que os eléctrons son partículas cargadas negativamente.

O nivel de enerxía de Fermi móvese máis preto da banda de conducción no silicio de tipo n. Aquí, o número de eléctrons libres aumenta sobre a concentración intrínseca de eléctrons. Por outro lado, o número de buracos diminúe sobre a concentración intrínseca de buracos, xa que hai maior probabilidade de recombinación debido ao maior número de eléctrons libres. Os eléctrons son os portadores de carga majoritarios.

Silicio extrínseco con impurezas pentavalentes

Se se engade unha pequena cantidade de elementos do grupo III a un cristal de semiconductor intrínseco, entón desprazan un átomo de silicio, elementos do grupo III como AI, B, IN teñen tres eléctrons de valencia. Estes tres eléctrons forman enlaces covalentes con átomos veciños creando un buraco. Estes tipos de átomos de impureza coñécense como aceptores. O semiconductor coñécese como semiconductor de tipo p xa que o buraco supónse que está positivamente cargado.

Silicio extrínseco con impurezas trivalentes

O nivel de enerxía de Fermi nos semiconductores de tipo p móvese máis preto da banda de valencia. O número de buracos aumenta, mentres que o número de eléctrons diminúe en comparación co silicio intrínseco. Nos semiconductores de tipo p, os buracos son os portadores de carga majoritarios.

Concentración de portadores de carga intrínsecos do silicio

Cando un electrón salta da banda de valencia á banda de conducción debido á excitación térmica, creanse portadores de carga libres en ambas bandas, é dicir, un electrón na banda de conducción e un buraco na banda de valencia. A concentración destes portadores coñécese como concentración de portadores de carga intrínsecos. Prácticamente, nun cristal de silicio puro ou intrínseco, o número de buracos (p) e eléctrons (n) son iguais entre si, e son iguais á concentración de portadores de carga intrínsecos ni. Polo tanto, n = p = ni

O número destes portadores depende da enerxía de banda. Para o silicio, a enerxía de banda é de 1,2 eV a 298oK, a concentración de portadores de carga intrínsecos no silicio aumenta co aumento da temperatura. A concentración de portadores de carga intrínsecos no silicio dáse por,

Aquí, T = temperatura na escala absoluta

A concentración de portadores de carga intrínsecos a 300oK é de 1,01 × 1010 cm-3. Pero o valor previamente aceptado é de 1,5 × 1010 cm-3.