Cosa sono il Silicio Intrinseco e il Silicio Estrinseco

Cosa sono il Silicio Intrinseco e il Silicio Estrinseco?

Silicio Intrinseco

Il silicio è un elemento semiconduttore fondamentale. Il silicio appartiene al gruppo IV. Nella sua orbita esterna, ha quattro elettroni di valenza che sono legati covalentemente agli elettroni di valenza di quattro atomi di silicio adiacenti. Questi elettroni di valenza non sono disponibili per la conduzione elettrica. Quindi, a 0 K, il silicio intrinseco si comporta come un isolante. Quando la temperatura aumenta, alcuni elettroni di valenza rompono i loro legami covalenti a causa dell'energia termica. Questo crea una vacanza, nota come buca, dove si trovava l'elettrone. In altre parole, a qualunque temperatura superiore a 0 K, alcuni degli elettroni di valenza nel cristallo del semiconduttore acquisiscono sufficiente energia per saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando dietro di sé una buca nella banda di valenza. Questa energia è approssimativamente pari a 1,2 eV a temperatura ambiente (cioè a 300 K), che è uguale all'energia di banda del silicio.

Nel cristallo di silicio intrinseco, il numero di buche è uguale al numero di elettroni liberi. Poiché ogni elettrone, quando abbandona il legame covalente, contribuisce con una buca nel legame rotto. A una certa temperatura, nuove coppie elettrone-buca vengono create continuamente dall'energia termica, mentre un numero uguale di coppie si ricombina. Pertanto, a una determinata temperatura in un certo volume di silicio intrinseco, il numero di coppie elettrone-buca rimane lo stesso. Questa è una condizione di equilibrio. Quindi, è ovvio che in condizioni di equilibrio, la concentrazione di elettroni liberi n e la concentrazione di buche p sono uguali tra loro, e questo è nient'altro che la concentrazione di portatori di carica intrinseca (ni). Cioè, n = p = ni. La struttura atomica è mostrata di seguito.

Silicio Intrinseco a 0 K

Silicio Intrinseco a Temperatura Ambiente

Silicio Estrinseco

Il silicio intrinseco può essere trasformato in silicio estrinseco quando viene dopato con una quantità controllata di dopanti. Se è dopato con un atomo donatore (elementi del gruppo V) diventa un semiconduttore n, e quando è dopato con atomi accettori (elementi del gruppo III) diventa un semiconduttore p.

Supponiamo che una piccola quantità di elemento del gruppo V sia aggiunta a un cristallo di silicio intrinseco. Gli esempi di elementi del gruppo V sono fosforo (P), arsenico (As), antimonio (Sb) e bismuto (Bi). Hanno cinque elettroni di valenza. Quando sostituiscono un atomo di Si, i quattro elettroni di valenza formano legami covalenti con gli atomi vicini, mentre il quinto elettrone, che non partecipa alla formazione del legame covalente, è legato debolmente all'atomo genitore e può facilmente lasciare l'atomo come elettrone libero. L'energia necessaria per rilasciare quel quinto elettrone è di circa 0,05 eV. Questo tipo di impurità è chiamato donatore in quanto contribuisce con elettroni liberi al cristallo di silicio. Il silicio è noto come n-tipo o silicio negativo poiché gli elettroni sono particelle cariche negativamente.

Il Livello di Energia di Fermi si avvicina alla banda di conduzione nel silicio n. Qui il numero di elettroni liberi è aumentato rispetto alla concentrazione intrinseca di elettroni. D'altra parte, il numero di buche è diminuito rispetto alla concentrazione intrinseca di buche, poiché c'è una maggiore probabilità di ricombinazione a causa della maggiore concentrazione di elettroni liberi. Gli elettroni sono i portatori di carica maggioritari.

Silicio Estrinseco con Impurezza Pentavalente

Se una piccola quantità di elementi del gruppo III viene aggiunta a un cristallo di semiconduttore intrinseco, questi sostituiscono un atomo di silicio, gli elementi del gruppo III come AI, B, IN hanno tre elettroni di valenza. Questi tre elettroni formano legami covalenti con gli atomi vicini creando una buca. Questi tipi di atomi di impurità sono noti come accettori. Il semiconduttore è noto come semiconduttore p poiché la buca è considerata positivamente caricata.

Silicio Estrinseco con Impurezza Trivalente

Il livello di energia di Fermi nei semiconduttori p si avvicina alla banda di valenza. Il numero di buche aumenta, mentre il numero di elettroni diminuisce rispetto al silicio intrinseco. Nei semiconduttori p, le buche sono i portatori di carica maggioritari.

Concentrazione Intrinseca dei Portatori di Carica del Silicio

Quando un elettrone salta dalla banda di valenza alla banda di conduzione a causa dell'eccitazione termica, vengono creati portatori liberi in entrambe le bande, vale a dire elettroni nella banda di conduzione e buche nella banda di valenza. La concentrazione di questi portatori è nota come concentrazione intrinseca dei portatori di carica. Praticamente, in un cristallo di silicio puro o intrinseco, il numero di buche (p) ed elettroni (n) sono uguali tra loro, e sono uguali alla concentrazione intrinseca dei portatori di carica ni. Pertanto, n = p = ni

Il numero di questi portatori dipende dall'energia di banda. Per il silicio, l'energia di banda è di 1,2 eV a 298 K, la concentrazione intrinseca dei portatori di carica nel silicio aumenta con l'aumento della temperatura. La concentrazione intrinseca dei portatori di carica nel silicio è data da,

Qui, T = temperatura in scala assoluta

La concentrazione intrinseca dei portatori di carica a 300 K è 1,01 × 1010 cm-3. Ma il valore precedentemente accettato è 1,5 × 1010 cm-3.