Što su intrinzični silicij i ekstrinzični silicij

Što su intrinzični silicij i ekstrinzični silicij?

Intrinzični silicij

Silicij je ključni element poluprovodnika. Silicij je materijal iz IV grupe. U njegovoj vanjskoj orbiti nalazi se četiri valentna elektrona koja su vezana kovalentnim vezama s valentnim elektronima četiri susjednih atoma silicija. Ovi valentni elektroni nisu dostupni za struju. Stoga, pri 0oK intrinzični silicij ponaša se kao izolator. Kada temperatura raste, neki valentni elektroni prekidaju svoje kovalentne veze zbog topline. To stvara prazninu, poznatu kao luka, gdje se elektron našao. Drugim riječima, pri bilo kojoj temperaturi većoj od 0oK neki valentni elektroni u kristalu poluprovodnika dobivaju dovoljnu energiju da skoče s valentne zone u vodilnu zonu i ostave luku u valentnoj zoni. Ova energija iznosi otprilike 1,2 eV pri sobnoj temperaturi (tj. pri 300oK) što je jednako energetskom razmaku silicija.

U kristalu intrinzičnog silicija, broj lukova jednak je broju slobodnih elektrona. Budući da svaki elektron kada napusti kovalentnu vezu doprinosi luku u prekinutoj vezi. Pri određenoj temperaturi, nove parove elektron-luka neprestano stvaraju toplinska energija, dok se jednak broj parova rekomponira. Stoga, pri određenoj temperaturi u određenom volumenu intrinzičnog silicija broj parova elektron-luka ostaje isti. Ovo je stanje ravnoteže. Stoga je očito da u stanju ravnoteže koncentracija slobodnih elektrona n i koncentracija lukova p jednake su jedna drugoj, a to je ništa drugo nego intrinzična koncentracija nositelja naboja (ni). tj. n = p = ni. Atomska struktura je prikazana ispod.

Intrinzični silicij pri 0oK

Intrinzični silicij pri sobnoj temperaturi

Ekstrinzični silicij

Intrinzični silicij može se pretvoriti u ekstrinzični silicij kada se doda kontrolirani iznos dopiranja. Ako se dopira atomima davalaca (elementi V grupe), postaje n-tip poluprovodnik, a ako se dopira atomima prihvaćača (elementi III grupe), postaje p-tip poluprovodnik.

Neka se malo elemenata V grupe doda kristalu intrinzičnog silicija. Primjeri elemenata V grupe su fosfor (P), arsenik (As), antimon (Sb) i bismut (Bi). Oni imaju pet valentnih elektrona. Kada zauzmu mjesto atoma Si, četiri valentna elektrona formiraju kovalentne veze s susjednim atomima, a peti elektron koji ne sudjeluje u formiranju kovalentne veze slabo je vezan za roditeljski atom i lako ga može napustiti kao slobodan elektron. Energijski potrebna za silicij za oslobađanje tog petog elektrona iznosi otprilike 0,05 eV. Takav tip zagađenja naziva se davalac jer doprinosi slobodne elektrone kristalu silicija. Silicij se naziva n-tip ili negativni tip silicija jer su elektroni negativno nabijeni čestice.

Razina Fermijeve energije približava se vodilnoj zoni u n-tip siliciju. Ovdje se povećava broj slobodnih elektrona nad intrinzičnu koncentraciju elektrona. S druge strane, broj lukova smanjuje se nad intrinzičnu koncentraciju lukova jer postoji veća vjerojatnost rekombinacije zbog većeg broja slobodnih elektrona. Elektroni su većinski nositelji naboja.

Ekstrinzični silicij s pentavalentnim zagađenjem

Ako se malo elemenata III grupe doda kristalu intrinzičnog poluprovodnika, oni zauzimaju mjesto atoma silicija, elementi III grupe poput AI, B, IN imaju tri valentna elektrona. Ova tri elektrona formiraju kovalentne veze s susjednim atomima stvarajući luku. Takvi tipovi zagađenja atoma poznati su kao prihvaćači. Poluprovodnik je poznat kao p-tip poluprovodnik jer se luka smatra pozitivno nabijenom.

Ekstrinzični silicij s trivalentnim zagađenjem

Razina Fermijeve energije u p-tip poluprovodnicima približava se valentnoj zoni. Broj lukova se povećava, dok se broj elektrona smanjuje u usporedbi s intrinzičnim silicijem. U p-tip poluprovodnicima, lukovi su većinski nositelji naboja.

Intrinzična koncentracija nositelja naboja u siliciju

Kada elektron skoči s valentne zone u vodilnu zonu zbog toplinske pobude, slobodni nositelji naboja stvare se u obje zone, elektroni u vodilnoj zoni i lukovi u valentnoj zoni. Koncentracija tih nositelja naboja poznata je kao intrinzična koncentracija nositelja naboja. Praktično, u čistom ili intrinzičnom kristalu silicija, broj lukova (p) i elektrona (n) jednak je jedan drugom, a oni su jednaki intrinzičnoj koncentraciji nositelja naboja ni. Stoga, n = p = ni

Broj tih nositelja ovisi o energetskom razmaku. Za silicij, energetski razmak iznosi 1,2 eV pri 298oK, intrinzična koncentracija nositelja naboja u siliciju raste s porastom temperature. Intrinzična koncentracija nositelja naboja u siliciju dana je formulom,

Ovdje, T = temperatura u apsolutnoj skali

Intrinzična koncentracija nositelja naboja pri 300oK iznosi 1,01 × 1010 cm-3. Ali prihvaćena vrijednost ranije je bila 1,5 × 1010 cm-3.