Kādi ir intrīnseks silīcijas un ekstrīnseks silīcija?

Kas ir intrīnseks silīcij un ekstrīnseks silīcij?

Intrīnseks silīcij

Silīcija ir vitāls poluprovodītāja elements. Silīcija ir IV grupas materiāls. Tā ārējā orbītā ir četri valentie elektroni, kuri tiek turēti kovalentajos saikos ar blakus esošo četrus silīcija atomus. Šie valentie elektroni nav pieejami strāvai. Tādēļ, absolūtā nullei (0oK) intrīnseks silīcija uzvedas kā izolators. Kad temperatūra paaugstinās, daži valentie elektroni pārtrauc savas kovalentās saites dēļ termiskās enerģijas. Tas rada tukumu, kas pazīstams kā trūkums, kur bija elektorns. Citiem vārdiem sakot, jebkurā temperatūrā, kas augstāka par 0oK, daži no poluprovodītāja kristāla valentajiem elektroniem iegūst pietiekamu enerģiju, lai pārsprangtu no valentes zonas līdz kondukcijas zonai, atstājot aiz sevis trūkumu valentes zonā. Šī enerģija aptuveni ir 1,2 eV istabas temperatūrā (t.i., 300oK), kas ir vienāda ar silīcija enerģijas spraugu.

Intrīnsekā silīcija kristālā trūkumu skaits ir vienāds ar brīvo elektronu skaitu. Jo katrs elektorns, kad atstāj kovalento saiti, veido trūkumu sprāgstajā saitē. Noteiktā temperatūrā, jauni elektrons-trūkuma pāri tiek nepārtraukti radīti dēļ termiskās enerģijas, savukārt vienāds pāru skaits atkal savienojas. Tādēļ noteiktā temperatūrā noteiktā tilpuma intrīnsekā silīcijā elektrons-trūkuma pāru skaits paliek nemainīgs. Tas ir līdzsvara stāvoklis. Tādēļ, šajā līdzsvara stāvoklī, brīvo elektronu koncentrācija n un trūkumu koncentrācija p ir vienādas, un tas ir nekas cits kā intrīnseks nosauces noslogojums (ni). T.i., n = p = ni. Atomskaisture ir parādīta zemāk.

Intrīnseks silīcija pie 0oK

Intrīnseks silīcija istabas temperatūrā

Ekstrīnseks silīcij

Intrīnseks silīciju var pārvērst ekstrīnsekā silīciju, pievienojot kontroliertu daudzumu dopantu. Ja to dopē ar doņora atomu (V grupas elementiem), tas kļūst par n-tipa poluprovodītāju, bet, ja to dopē ar akseptora atomiem (III grupas elementiem), tas kļūst par p-tipa poluprovodītāju.

Pievienojot mazu daudzumu V grupas elementu intrīnsekam silīcija kristālam. V grupas elementu piemēri ir fosforuss (P), arsēns (As), antimons (Sb) un bismuts (Bi). Tie ir pieci valentie elektroni. Kad tie aizvieto Si atomu, četri valentie elektroni veido kovalentas saites ar blakus esošajiem atomiem, un piektais elektorns, kas nesastāvējas kovalentās saites formēšanā, viegli piesaista dzimumtevības atomam un viegli var atstāt atomu kā brīvs elektorns. Enerģija, kas nepieciešama šim nolūkam, t.i., lai atbrīvotu piekto elektorni, ir aptuveni 0,05 eV. Šāda veida impurities sauc par doņoriem, jo tie piešķir brīvos elektronus silīcija kristālam. Silīcija sauc par n-tipa vai negatīva tipa silīciju, jo elektronu lādiņi ir negatīvi.

Fermi enerģijas līmenis tuvojas kondukcijas zonai n-tipa silīcijā. Šeit brīvo elektronu skaits palielinās salīdzinājumā ar intrīnseku elektronu koncentrāciju. Savukārt, trūkumu skaits samazinās salīdzinājumā ar intrīnseku trūkumu koncentrāciju, jo ir lielāka iespēja rekompozicijai dēļ lielāka brīvo elektronu koncentrācija. Elektronu ir majoritāres nosauces noslogotāji.

Ekstrīnseks silīcija ar pentavālentu impurity

Ja mazu daudzumu III grupas elementu pievieno intrīnsekam poluprovodītāja kristālam, tad tie aizvieto silīcija atomu, III grupas elementi, piemēram, AI, B, IN, ir trīs valentie elektroni. Šie trīs elektroni veido kovalentas saites ar blakus esošajiem atomiem, radot trūkumu. Šāda veida impurities atomi sauc par akseptoriem. Poluprovodītājs ir pazīstams kā p-tipa poluprovodītājs, jo trūkums tiek uzskatīts par pozitīvi nomagnētotu.

Ekstrīnseks silīcija ar trivālentu impurity

Fermi enerģijas līmenis p-tipa poluprovodītājos tuvojas valentes zonai. Trūkumu skaits palielinās, savukārt elektronu skaits samazinās salīdzinājumā ar intrīnseku silīciju. P-tipa poluprovodītājos trūkumi ir majoritāres nosauces noslogotāji.

Intrīnseks nosauces noslogojums silīcijā

Kad elektorns pārsprang no valentes zonas uz kondukcijas zonu dēļ termiskās eksitācijas, abās zonās tiek radīti brīvie nosauces noslogotāji, kas ir elektroni kondukcijas zonā un trūkumi valentes zonā. Šo nosauces noslogotāju koncentrācija pazīstama kā intrīnseks nosauces noslogojums. Praktiski, tīrā vai intrīnsekā silīcija kristālā trūkumu (p) un elektronu (n) skaits ir vienāds, un tie ir vienādi ar intrīnseku nosauces noslogojumu ni. Tātad, n = p = ni

Šo nosauces noslogotāju skaits atkarīgs no enerģijas spraugas. Silīcija enerģijas sprauga ir 1,2 eV 298oK, intrīnseks nosauces noslogojums silīcijā palielinās ar temperatūras paaugstināšanos. Intrīnseks nosauces noslogojums silīcijā ir dota formulas:

Tur, T = temperatūra absolu