რით განსხვავდება ინტრინსული კვარცხლი და ექსტრინსული კვარცხლი?

რა არის ინტრინსიკული და ექსტრინსიკული სილიციუმი?

ინტრინსიკული სილიციუმი

სილიციუმი არის ძირითადი ელემენტი სემიპროვოდორში. სილიციუმი არის ჯგუფ IV-ის მასალა. მის გარე ბრუნზე არის ოთხი ვალენტური ელექტრონი, რომლებიც კოვალენტური ბონდებით დაკავშირებულია მის სავარაუდო სილიციუმ ატომებთან. ეს ვალენტური ელექტრონები არ ხდება ელექტროდინამიკისთვის ხელმისაწვდომი. ასე რომ, 0oK-ზე ინტრინსიკული სილიციუმი იქცევა იზოლატორის მსგავსად. როდესაც ტემპერატურა იზრდება, ზოგიერთი ვალენტური ელექტრონი ხსნის კოვალენტური ბონდებს თერმიკი ენერგიის გამო. ეს ქმნის ცხრილს, რომელიც ცნობილია როგორც ხარისხი, სადაც ელექტრონი იყო. სხვა სიტყვებით, ნებისმიერ ტემპერატურაზე, რომელიც მეტია 0oK-ზე, ზოგიერთი ვალენტური ელექტრონი სემიპროვოდორის კრისტალში იღებს საკმარის ენერგიას რათა გადახტოს შემდგომი ბანდიდან ვალენტური ბანდიდან და დატოვოს ხარისხი ვალენტურ ბანდში. ეს ენერგია არის ახლოს 1.2 eV-ს სართული ტემპერატურაზე (300oK), რაც არის სილიციუმის ბანდის გაფართოების ენერგია.

ინტრინსიკულ სილიციუმის კრისტალში, ხარისხების რაოდენობა ტოლია თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობასთან. რადგან თითოეული ელექტრონი, როდესაც ტოვებს კოვალენტურ ბონდს, იტაცებს ხარისხს შეტევილ ბონდში. კონკრეტულ ტემპერატურაზე, ახალი ელექტრონ-ხარისხის წყვილები უწყვეტად ქმნილია თერმიკი ენერგიის გამო, რომელთა ტოლი რაოდენობა რეკომბინირდება. ასე რომ, კონკრეტული ტემპერატურაზე კონკრეტულ სილიციუმის კრისტალში ელექტრონ-ხარისხის წყვილების რაოდენობა რჩება იდენტური. ეს არის ეკვილიბრიუმის მდგომარეობა. ასე რომ, ეკვილიბრიუმის მდგომარეობაში, თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია n და ხარისხების კონცენტრაცია p ტოლია ერთმანეთის, და ეს არის ინტრინსიკური ელექტრონის დასახელება (ni). ანუ, n = p = ni. ატომური სტრუქტურა ჩამოთვლილია ქვემოთ.

ინტრინსიკული სილიციუმი 0oK-ზე

ინტრინსიკული სილიციუმი საშუალო ტემპერატურაზე

ექსტრინსიკული სილიციუმი

ინტრინსიკული სილიციუმი შეიძლება გახდეს ექსტრინსიკული სილიციუმი, როდესაც ის დოპირება კონტროლირებული რაოდენობის დოპანტებით. როდესაც ის დოპირება დონორ ატომებით (ჯგუფ V ელემენტებით), ის ხდება n-ტიპის სემიპროვოდორი და როდესაც ის დოპირება აქსეპტორ ატომებით (ჯგუფ III ელემენტებით), ის ხდება p-ტიპის სემიპროვოდორი.

დავუშვათ, რომ პატარა რაოდენობის ჯგუფ V ელემენტი დამატებულია ინტრინსიკულ სილიციუმის კრისტალში. ჯგუფ V ელემენტების მაგალითები არის ფოსფორი (P), არსენიკი (As), ანტიმონი (Sb) და ბისმუთი (Bi). მათ აქვთ ხუთი ვალენტური ელექტრონი. როდესაც ისინი ჩანაცვლებენ სილიციუმ ატომს, ხუთი ვალენტური ელექტრონი ქმნის კოვალენტურ ბონდებს მეზობლის ატომებთან, ხოლო მეხუთე ელექტრონი, რომელიც არ მოიხსენიება კოვალენტურ ბონდში, სუსტად დაკავშირებულია დედა ატომთან და საბოლოოდ ტოვებს ატომს როგორც თავისუფალი ელექტრონი. ენერგია, რომელიც საჭიროა სილიციუმისთვის ამ მიზნისთვის, ანუ ხუთეული ელექტრონის გაშვებისთვის, არის დაახლოებით 0.05 eV. ასეთი იმპურიტი არის ცნობილი როგორც დონორი, რადგან ის ქმნის თავისუფალ ელექტრონებს სილიციუმის კრისტალში. სილიციუმი ცნობილია როგორც n-ტიპი ან უარყოფითი ტიპი სილიციუმი, რადგან ელექტრონები არიან უარყოფითად დამტვრეული ნაწილაკები.

ფერმის ენერგიის დონე უახლოვდება შემდგომი ბანდის კონდუქტორული ბანდისკენ. აქ თავისუფალი ელექტრონების რაოდენობა ზრდის ინტრინსიკური ელექტრონების კონცენტრაციაზე. მეორე მხრივ, ხარისხების რაოდენობა შემცირდება ინტრინსიკური ხარისხების კონცენტრაციაზე, რადგან უფრო მეტი თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია ზრდის რეკომბინაციის შანსებს. ელექტრონები არიან მახასიათებელი შარჯის ნაწილაკები.

ექსტრინსიკული სილიციუმი პენტავალენტური იმპურიტით

თუ პატარა რაოდენობის ჯგუფ III ელემენტი დამატებულია ინტრინსიკულ სემიპროვოდორის კრისტალში, მაშინ ისინი ჩანაცვლებენ სილიციუმ ატომს, ჯგუფ III ელემენტები, როგორიცაა AI, B, IN, აქვთ სამი ვალენტური ელექტრონი. ეს სამი ელექტრონი ქმნის კოვალენტურ ბონდებს მეზობლის ატომებთან და ქმნის ხარისხს. ასეთი იმპურიტები არიან ცნობილი როგორც აქსეპტორები. სემიპროვოდორი ცნობილია როგორც p-ტიპი სემიპროვოდორი, რადგან ხარისხი არის დამტვრეული დადებითი ტიპი.

ექსტრინსიკული სილიციუმი ტრივალენტური იმპურიტით

ფერმის ენერგიის დონე p-ტიპის სემიპროვოდორში უახლოვდება ვალენტურ ბანდს. ხარისხების რაოდენობა ზრდის, ხოლო ელექტრონების რაოდენობა შემცირდება ინტრინსიკურ სილიციუმთან შედარებით. p-ტიპის სემიპროვოდორებში, ხარისხები არიან მახასიათებელი შარჯის ნაწილაკები.

სილიციუმის ინტრინსიკური შარჯის კონცენტრაცია

როდესაც ელექტრონი ხტება ვალენტური ბანდიდან შემდგომი ბანდიდან თერმიკი ექსციტაციის გამო, თავისუფალი შარჯის ნაწილაკები ქმნილია და არის ელექტრონები შემდგომი ბანდში და ხარისხები ვალენტურ ბანდში. ეს შარჯის ნაწილაკების კონცენტრაცია ცნობილია როგორც ინტრინსიკური შარჯის კონცენტრაცია. პრაქტიკულად, სუფთა ან ინტრინსიკულ სილიციუმის კრისტალში ხარისხების (p) და ელექტრონების (n) რაოდენობა ტოლია ერთმანეთის, და ისინი ტოლია ინტრინსიკურ შარჯის კონცენტრაცია ni. ასე რომ, n = p = ni

ეს შარჯის ნაწილაკების რაოდენობა დამოკიდებულია ბანდის გაფართოების ენერგიაზე. სილიციუმისთვის, ბანდის გაფართოების ენერგია არის 1.2 eV 298oK-ზე ინტრინსიკური შარჯის კონცენტრაცია სილიციუმში ზრდის ტემპერატურის ზრდით. სილიციუმის ინტრინსიკური შარჯის კონცენტრაცია შემდეგი განტოლებით გამოსახულია,

აქ T = ტემპერატურა აბსოლუტურ სკალაზე

ინტრინსიკური შარჯის კონცენტრაცია 300oK-ზე არის 1.01 × 1010 cm-3. თუმცა, ადრე დადებული მნიშვნელობა არის 1.5 × 1010 cm-3.