Wat zijn Intrinsic Silicon en Extrinsic Silicon

Wat zijn Intrinsic Silicon en Extrinsic Silicon?

Intrinsic Silicon

Silicium is een essentieel halfgeleider. Silicium is een groep IV-materiaal. In de buitenste baan heeft het vier valentie-elektronen die door covalente bindingen verbonden zijn met de valentie-elektronen van vier naburige siliciumatomen. Deze valentie-elektronen zijn niet beschikbaar voor elektriciteit. Dus bij 0oK gedraagt intrinsiek silicium zich als een isolator. Wanneer de temperatuur stijgt, breken sommige valentie-elektronen hun covalente bindingen door thermische energie. Dit creëert een vacature, bekend als een gat, waar het elektron was. Met andere woorden, bij elke temperatuur hoger dan 0oK krijgen sommige van de valentie-elektronen in het halfgeleiderkristal voldoende energie om van de valentieband naar de geleidingsband te springen en achterlaten een gat in de valentieband. Deze energie is ongeveer gelijk aan 1,2 eV bij kamertemperatuur (d.w.z. bij 300oK), wat gelijk is aan de bandgap-energie van silicium.

In het intrinsieke siliciumkristal is het aantal gaten gelijk aan het aantal vrije elektronen. Aangezien elk elektron dat de covalente binding verlaat een gat in de gebroken binding achterlaat. Bij een bepaalde temperatuur worden er continu nieuwe elektron-gatparen door thermische energie gecreëerd, terwijl een gelijk aantal paren opnieuw samengaat. Daarom blijft het aantal elektron-gatparen bij een bepaalde temperatuur in een bepaald volume intrinsiek silicium hetzelfde. Dit is een evenwichtstoestand. Het is duidelijk dat in de evenwichtstoestand de concentratie van vrije elektronen n en de concentratie van gaten p gelijk zijn aan elkaar, en dit is niets anders dan de intrinsieke draagladernconcentratie (ni). D.w.z., n = p = ni. De atoomstructuur wordt hieronder weergegeven.

Intrinsic Silicon bij 0oK

Intrinsic Silicon bij Kamertemperatuur

Extrinsic Silicon

Intrinsiek silicium kan worden omgezet in extrinsiek silicium wanneer het wordt gedopeerd met een gecontroleerde hoeveelheid dopanten. Als het wordt gedopeerd met donoratomen (groep V-elementen) wordt het een n-type halfgeleider, en als het wordt gedopeerd met acceptoratomen (groep III-elementen) wordt het een p-type halfgeleider.

Laat een kleine hoeveelheid groep V-element toevoegen aan een intrinsiek siliciumkristal. Voorbeelden van groep V-elementen zijn fosfor (P), arseen (As), antimoon (Sb) en bismut (Bi). Ze hebben vijf valentie-elektronen. Wanneer ze een Si-atoom vervangen, maken de vier valentie-elektronen covalente bindingen met naburige atomen en het vijfde elektron, dat niet deelneemt aan de vorming van de covalente binding, is losjes verbonden met het moederaatoom en kan gemakkelijk het atoom verlaten als een vrij elektron. De energie die nodig is om dit vijfde elektron vrij te maken is ongeveer 0,05 eV. Dit soort impuriteiten wordt genoemd als donors, omdat ze vrije elektronen leveren aan het siliciumkristal. Het silicium wordt n-type of negatief type silicium genoemd, omdat de elektronen negatief geladen deeltjes zijn.

Het Fermi-energieniveau komt dichter bij de geleidingsband in n-type silicium. Hierbij neemt het aantal vrije elektronen toe ten opzichte van de intrinsieke concentratie van elektronen. Aan de andere kant neemt het aantal gaten af ten opzichte van de intrinsieke gathoeveelheid, omdat er meer kans is op recombinatie door de grotere concentratie vrije elektronen. Elektronen zijn de meeste ladingdragers.

Extrinsic Silicon met Pentavalente Impuriteiten

Als een kleine hoeveelheid groep III-elementen wordt toegevoegd aan een intrinsisch halfgeleiderkristal, dan vervangen ze een siliciumatoom. Groep III-elementen zoals AI, B, IN hebben drie valentie-elektronen. Deze drie elektronen maken covalente bindingen met naburige atomen, waardoor een gat ontstaat. Deze soort impuretaatomen worden acceptoren genoemd. De halfgeleider wordt een p-type halfgeleider genoemd, omdat het gat positief geladen wordt verondersteld te zijn.

Extrinsic Silicon met Trivalente Impuriteiten

Het Fermi-energieniveau in p-type halfgeleiders komt dichter bij de valentieband. Het aantal gaten neemt toe, terwijl het aantal elektronen afneemt ten opzichte van intrinsiek silicium. In p-type halfgeleiders zijn gaten de meeste ladingdragers.

Intrinsieke Draagladernconcentratie van Silicium

Wanneer een elektron van de valentieband naar de geleidingsband springt door thermische opwinding, worden vrije dragers gecreëerd in beide banden, namelijk elektronen in de geleidingsband en gaten in de valentieband. De concentratie van deze dragers wordt de intrinsieke draagladernconcentratie genoemd. Praktisch gezien is in zuiver of intrinsiek siliciumkristal het aantal gaten (p) en elektronen (n) gelijk aan elkaar, en ze zijn gelijk aan de intrinsieke draagladernconcentratie ni. Dus, n = p = ni

Het aantal van deze dragers hangt af van de bandgap-energie. Voor silicium is de bandgap-energie 1,2 eV bij 298oK. De intrinsieke draagladernconcentratie in silicium neemt toe met de temperatuurstijging. De intrinsieke draagladernconcentratie in silicium wordt gegeven door,

Hierbij, T = temperatuur in absolute schaal

De intrinsieke draagladernconcentratie bij 300oK is 1,01 × 1010 cm-3. Maar de eerder geaccepteerde waarde is 1,5 × 1010 cm-3.