Miben különböznek az intrinsek és extrinsek szilícium?

Mi az inherekciós krisztály és az extrinsekciós krisztály?

Inherekciós krisztály

A krisztály egy létfontosságú elemi fémesz. A krisztály IV. csoportbeli anyag. Külső pályáján négy vegyén-eletront tartalmaz, amelyek kovalens kötéseken keresztül összekötve vannak a szomszédos krisztályatommal. Ezek az eletront nincsenek elérhetővé tettek az áramhoz. Így, 0 K-on az inherekciós krisztály viselkedik izolátor mint. Ha a hőmérséklet emelkedik, néhány vegyén-eletron megszakítja a kovalens kötést a hőenergia miatt. Ez hagyja után egy üres helyet, ami "lyuk" néven ismert, ahol az eletron volt. Más szavakkal, bármilyen 0 K-nál magasabb hőmérséklet esetén a fémeszkristályban található néhány vegyén-eletron elégséges energiát nyer, hogy ugráljon a vezetési sávba a vegyén-sávból, és hátrahagy egy lyukat a vegyén-sávban. Ez az energia kb. 1,2 eV a szobahőmérsékletnél (tehát 300 K), ami egyenlő a krisztály bandgap-energiájával.

Az inherekciós krisztályban a lyukak száma egyenlő a szabad elektronok számával. Mivel minden eletron, amikor elhagyja a kovalens kötést, hozzájárul egy lyukhoz a megszakított kötésben. Adott hőmérsékleten új elektrolyuk-párok folyamatosan jönnek létre a hőenergia miatt, miközben egyenlő mennyiségű pár újraegyüttolvad. Tehát adott hőmérsékleten és adott térfogatban az inherekciós krisztályban az elektrolyuk-párok száma ugyanannyi marad. Ez egyensúlyi állapot. Így nyilvánvaló, hogy az egyensúlyi állapotban a szabad elektronok koncentrációja (n) és a lyukak koncentrációja (p) egyenlő egymással, és ez nem más, mint az inherekciós töltésviszony-koncentráció (ni). Azaz, n = p = ni. Az atomi szerkezet az alábbi ábrán látható.

Inherekciós krisztály 0 K-n

Inherekciós krisztály szobahőmérsékleten

Extrinsekciós krisztály

Az inherekciós krisztályt extrinsekciós krisztályvá lehet alakítani, ha kontrollált mennyiségű dopolási anyagot adunk hozzá. Ha doboratommal (V. csoportbeli elemekkel) doppelünk, akkor n-típusú fémeszként kapjuk, ha pedig fogadóatommal (III. csoportbeli elemekkel) doppelünk, akkor p-típusú fémeszként kapjuk.

Tegyük fel, hogy egy kis mennyiségű V. csoportbeli elemet adunk hozzá egy inherekciós krisztályhoz. A V. csoportbeli elemek például a foszfor (P), arzen (As), antimon (Sb) és bizmut (Bi). Négy vegyén-eletront tartalmaznak. Amikor lecserélik egy krisztályatommot, a négy vegyén-eletron kovalens kötést alakít ki a szomszédos atomokkal, és az ötödik eletron, amely nem vesz részt a kovalens kötés képzésében, könnyen elhagyhatja az atombeli helyét, és szabad elektronként léphet fel. A szilícium számára szükséges energia ennek céljára, azaz az ötödik elektron szabadulásához, körülbelül 0,05 eV. Ezt a tisztességet donor-ként nevezik, mert szabad elektronokat ad a szilícium kristálynak. A szilíciumt ekkor n-típusúnak vagy negatív típusúnak nevezik, mivel az elektronok negatívan töltött részecskék.

A Fermi-energiaszint közelebb kerül a vezetési sávhoz az n-típusú szilíciumban. Itt a szabad elektronok száma megnő az inherekciós elektronkoncentráció felett. Ugyanakkor a lyukak száma csökken az inherekciós lyukkoncentráció felett, mivel nagyobb a rekompozíció valószínűsége a nagyobb szabad elektronkoncentráció miatt. Az elektronok a legtöbb töltésviszonyokat képezik.

Extrinsekciós krisztály pentavalent impuritással

Ha egy kis mennyiségű III. csoportbeli elemet adunk hozzá egy inherekciós fémeszkristályhoz, akkor lecserélik egy szilíciumatommot, a III. csoportbeli elemek, mint például az Al, B, In, három vegyén-eletront tartalmaznak. Ezek három eletront alkotnak kovalens kötéseket a szomszédos atomokkal, és így lyukat hoznak létre. Ezek a tisztességek fogadókat nevezünk. A fémeszet p-típusúnak nevezik, mivel a lyuk pozitívan töltöttnek tekinthető.

Extrinsekciós krisztály trivalens impuritással

A Fermi-energiaszint a p-típusú fémeszekben közelebb kerül a vegyén-sávhoz. A lyukak száma növekszik, míg az elektronok száma csökken az inherekciós szilíciumhoz képest. A p-típusú fémeszekben a lyukak a legtöbb töltésviszonyokat képezik.

Inherekciós töltésviszony-koncentráció a szilíciumban

Amikor egy eletron ugrál a vegyén-sávból a vezetési sávba a hőenergia miatt, szabad töltésviszonyok jönnek létre mindkét sávban, azaz elektron a vezetési sávban és lyuk a vegyén-sávban. Ezek a töltésviszonyok koncentrációja az inherekciós töltésviszony-koncentráció. Gyakorlatilag tiszta vagy inherekciós szilíciumkristályban a lyukak (p) és elektronok (n) száma egyenlő egymással, és egyenlő az inherekciós töltésviszony-koncentrációval (ni). Tehát, n = p = ni.

Ezek a töltésviszonyok a bandgap-energiától függnek. A szilícium esetében a bandgap-energia 1,2 eV 298 K-n, az inherekciós töltésviszony-koncentráció a szilíciumban növekszik a hőmérséklet növekedésével. Az inherekciós töltésviszony-koncentráció a szilíciumban a következőképpen adódik:

Itt, T = hőmérséklet abszolút skálán

Az inherekciós töltésviszony-koncentráció 300 K-n 1,01 × 10^10 cm^-3. De a korábban elfogadott érték 1,5 × 10^10 cm^-3 volt.