چی دا هستن سیلیکون خالص و سیلیکون غیرخالص؟

Intrinsic Silicon və Extrinsic Silicon nədir?

Intrinsic Silicon

Silicon, bir çox elementli yarıiletken maddeler arasında çok önemli bir rol oynar. Silikon, dördüncü grup malzemedir. Dış orbitinde, komşu dört silikon atomunun valans elektronlarıyla kovalent bağlarla bağlı dört valans elektronu vardır. Bu valans elektronları elektrik için uygun değildir. Bu yüzden, OoK'da intrinsic silikon yalıtkan gibi davranır. Sıcaklık yükseldiğinde, bazı valans elektronları termal enerji sebebiyle kovalent bağlarını koparır. Bu, elektronun olduğu yerde bir boşluk yaratır, bu boşluğa delik denir. Başka bir deyişle, herhangi bir sıcaklık 0oK'dan yüksek olduğunda, yarıiletken kristalindeki bazı valans elektronları, valans bandından iletim bandına yeterli enerji kazanarak atlama yapar ve valans bandında bir delik bırakır. Bu enerji, oda sıcaklığında (yani 300oK'da) yaklaşık 1.2 eV'ye eşittir, ki bu da silikonun bant aralığıdır.

Intrinsic silikon kristalında, deliklerin sayısı serbest elektronların sayısına eşittir. Her elektron, kovalent bağını terk ettiğinde, kopmuş bağda bir delik oluşturur. Belli bir sıcaklıkta, yeni elektron-delik çiftleri sürekli olarak termal enerji ile oluşturulurken, eşit sayıda çift yeniden birleşir. Bu nedenle, belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir hacimde intrinsic silikonun elektron-delik çiftlerinin sayısı aynı kalır. Bu, denge durumudur. Yani, denge durumunda, serbest elektronların konsantrasyonu n ve deliklerin konsantrasyonu p birbirine eşittir ve bu, başka bir deyişle, intrinsic yük taşıyıcı konsantrasyonu (ni)’dir. Yani, n = p = ni. Atomik yapı aşağıda gösterilmiştir.

0oK'da Intrinsic Silicon

Oda Sıcaklığında Intrinsic Silicon

Extrinsic Silicon

Intrinsic silikon, kontrollü miktarda dozant eklenerek extrinsic silikon haline getirilebilir. Grup V elementleri (verici atomlar) ile dozlanırsa, n-tipi yarıiletken olur ve grup III elementleri (kabul edici atomlar) ile dozlanırsa, p-tipi yarıiletken olur.

Biraz grup V elementi (örneğin fosfor (P), arsenik (As), antimon (Sb) ve bizmut (Bi)) intrinsic silikon kristalına eklenirse, bu elementler beş valans elektronuna sahiptir. Bu elementler, bir Si atomunu yerleştirirken, dört valans elektronu komşu atomlarla kovalent bağlar kurar ve beşinci elektron, kovalent bağı oluşturmaya katılmaz ve ana atoma zayıf bağlı kalır, kolayca özgür elektron olarak ayrılır. Bu amaç için gerekli olan enerji, yani beşinci elektronun serbest kalması için gereken enerji yaklaşık 0.05 eV'dir. Bu tür kirleticiler, silikon kristaline özgür elektronlar katkıda bulunduğu için verici olarak adlandırılır. Bu silikon, elektronların negatif yüklü parçacıklar olması nedeniyle n-tipi veya negatif tip silikon olarak bilinir.

Fermi Enerji Seviyesi, n-tipi silikonda iletim bandına daha yakındır. Burada, serbest elektronların sayısı, intrinsik elektron konsantrasyonundan artar. Diğer yandan, daha fazla özgür elektron konsantrasyonu nedeniyle yeniden birleşme olasılığı daha fazladır, bu nedenle deliklerin sayısı intrinsik delik konsantrasyonundan azalır. Elektronlar çoğunluk yük taşıyıcılarıdır.

Beşvalent Kirleticili Extrinsic Silicon

Eğer küçük miktarlarda grup III elementi (örneğin AI, B, IN) intrinsic yarıiletken kristalına eklenirse, bu elementler bir silikon atomunu yerleştirir. Bu grup III elementleri üç valans elektronuna sahiptir. Bu üç elektron, komşu atomlarla kovalent bağlar kurarak bir delik yaratır. Bu tür kirleticiler kabul ediciler olarak adlandırılır. Yarıiletken, deliklerin pozitif yüklü olduğunu varsayıldığından, p-tipi yarıiletken olarak bilinir.

Üçvalent Kirleticili Extrinsic Silicon

p-tipi yarıiletkenlerde, Fermi enerji seviyesi valans bandına daha yakındır. Deliklerin sayısı artarken, elektronların sayısı intrinsik silikona göre azalır. p-tipi yarıiletkenlerde, delikler çoğunluk yük taşıyıcılarıdır.

Silikonun Intrinsik Yük Taşıyıcı Konsantrasyonu

Termal uyarlamadan dolayı bir elektron, valans bandından iletim bandına sıçradığında, her iki bandta da özgür yük taşıyıcılar yaratılır, yani iletim bandındaki elektronlar ve valans bandındaki delikler. Bu taşıyıcıların konsantrasyonu intrinsik yük taşıyıcı konsantrasyonu olarak bilinir. Pratikte, saf veya intrinsik silikon kristalinde, deliklerin (p) ve elektronların (n) sayısı birbirine eşittir ve bu, intrinsik yük taşıyıcı konsantrasyonu (ni)’ye eşittir. Yani, n = p = ni

Bu taşıyıcıların sayısı, bant aralığı enerjisine bağlıdır. Silikon için, bant aralığı enerjisi 298oK'da 1.2 eV'dir. Sıcaklık arttıkça, silikonun intrinsik yük taşıyıcı konsantrasyonu artar. Silikonun intrinsik yük taşıyıcı konsantrasyonu şu şekilde verilir:

Burada, T = mutlak ölçekte sıcaklık

300oK'daki intrinsik yük taşıyıcı konsantrasyonu 1.01 × 1010 cm-3'tür. Ancak, daha önce kabul edilen değer 1.5 × 1010 cm-3'tür.