Интринсикалық кремний және экстринсикалық кремний дегеніміз не?

Інтрасенгі және Экстрасенгі кремний неге?

Інтрасенгі кремний

Кремний - маңызды элементтік полупроводник. Кремний IV тобына жатады. Оның сыртқы орбитасында төрт валентті электрон бар, олар қоштастырулық байланыс арқылы екінші кремний атомдарының валентті электрондарымен байланысады. Бұл валентті электрондар электр үшін қол жетімді емес. Сондықтан, OoK температурасында інтрасенгі кремний изолятор сияқты әсер етеді. Температура жоғарылағанда, термалық энергия арқылы біреуінші валентті электрондар қоштастырулық байланыстарын жабып, бос орын (жер) пайда болады. Бұл жер электрон болған жерде пайда болады. Басқа түрлі айтқанда, 0oK-тен жоғары температураларда, полупроводник кристалындағы біреуінші валентті электрондар кондуктивті зонаға шығып, валентті зонада бос орын қалдыратынды. Бұл энергия 300oK (же комната температурасы) 1.2 eV-ге тең, бұл кремнийдің энергиялық заттарының аралығына тең.

Інтрасенгі кремний кристалында бос орындар саны свободалы электрондар санына тең. Арнайы электрон қоштастырулық байланысты жабып, бос орын пайда етеді. Айнымалы температураларда, термалық энергия арқылы жаңа электрон-бос орын парлар тұрақты түрде пайда болады, ал тең саны парлар қайта қосылады. Сондықтан, белгілі бір температураларда, інтрасенгі кремнийнің аймағында электрон-бос орын парлар саны тең қалады. Бұл теңсіздік. Демек, теңсіздік шартында, свободалы электрондар концентрациясы n және бос орындар концентрациясы p бір-біріне тең, бұл інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы (ni) болып табылады. Яғни, n = p = ni. Атомдық структура төменде көрсетілген.

Інтрасенгі кремний 0oK температурасында

Інтрасенгі кремний комната температурасында

Экстрасенгі кремний

Інтрасенгі кремний, контролдеп отырып, допанттармен қамтылғанда экстрасенгі кремнийге айналады. Егер ол донор атомдармен (V тобы элементтерімен) қамтылса, онда ол n-типу полупроводникке, ал акцептор атомдармен (III тобы элементтерімен) қамтылса, p-типу полупроводникке айналады.

Егер інтрасенгі кремний кристалына V тобы элементтерінің аз мөлшері қосылса, мысалы, фосфор (P), мышық (As), антимоний (Sb) және висмут (Bi). Олардың бес валентті электрондары бар. Олар кремний атомын орналастырғанда, төрт валентті электрондар қоштастырулық байланыс арқылы жанарты атомдармен байланысады, ал бесінші электрон, қоштастырулық байланысты жасау үшін қатыспаған, өтінеміз қалыптасқан атомдан жеңіл түрде айналып, свободалы электрон ретінде шығады. Кремний үшін бұл мақсатта, яғни бесінші электронды шығару үшін қажетті энергия 0.05 eV. Бұл түрлі допанттар донор деп аталады, себебі олар свободалы электрондарды кремний кристалына қосады. Кремний n-типу немесе теріс типті кремний деп аталады, себебі электрондар теріс зарядталған частичкалар.

n-типу кремнииде Ферми энергия деңгейі кондуктивті зонага жақыншақ. Мұнда свободалы электрондар саны інтрасенгі электрондар концентрациясынан артық. Бірақ, бос орындар саны інтрасенгі бос орындар концентрациясынан азаяды, себебі свободалы электрондар саны артық, сондықтан қайта қосылу мүмкіндігі көбейеді. Электрондар - бұл бірінші зарядтық носители.

Пентавалентті допанттармен экстрасенгі кремний

Егер інтрасенгі полупроводник кристалына III тобы элементтерінің аз мөлшері қосылса, онда олар кремний атомын орналастырғанда, AI, B, IN сызықты элементтер сияқты үш валентті электрондары бар. Бұл үш электрон қоштастырулық байланыс арқылы жанарты атомдармен байланысады, бос орын пайда болады. Бұл түрлі допанттар акцептор деп аталады. Полупроводник p-типу деп аталады, себебі бос орын оң зарядталған деп ұstycep jatady.

Тривалентті допанттармен экстрасенгі кремний

p-типу полупроводникте Ферми энергия деңгейі валентті зонага жақыншақ. Бос орындар саны артық, ал электрондар саны інтрасенгі кремнийге салыстырғанда азаяды. p-типу полупроводниктерде бос орындар - бұл бірінші зарядтық носители.

Кремнийдің інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы

Термалық әсерімен электрон валентті зонадан кондуктивті зонаға өткенде, екі зонада свободалы зарядтық носителилер пайда болады, яғни кондуктивті зонада электрон, ал валентті зонада бос орын. Бұл зарядтық носительлер концентрациясы інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы деп аталады. Негізінен чисто немесе інтрасенгі кремний кристалында бос орындар (p) және электрондар (n) саны бір-біріне тең, ал олар інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясына тең. Демек, n = p = ni

Бұл зарядтық носительлер саны энергиялық заттар аралығына байланысты. Кремний үшін, энергиялық заттар аралығы 298oK 1.2 eV. Температура өсіп отырғанда, кремнийдегі інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы да өседі. Кремнийдегі інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы мынадай формуламен берілетіні:

Мұнда, T - абсолютті шкала бойынша температура

300oK температурасында інтрасенгі зарядтық носительлер концентрациясы 1.01 × 1010 см-3. Бірақ, алдын ала қабылданған мән 1.5 × 1010 см-3.