Hva er intrinsisk silisium og ekstrinsisk silisium

Hva er intrinsikk silisium og ekstrinsikk silisium?

Intrinsikk silisium

Silisium er et viktig halvledermaterial. Silisium er en gruppe IV-material. I dens ytre bane har det fire valens elektroner som holdes av kovalente bindinger med valenselektronene til fire nabo-silisiumatomer. Disse valenselektronene er ikke tilgjengelige for elektrisitet. Så, ved 0oK oppfører seg intrinsikk silisium som en isolator. Når temperaturen stiger, knuser noen valenselektroner sine kovalente bindinger på grunn av termisk energi. Dette skaper en tom plass, kjent som et hull, der elektronet var. Med andre ord, ved enhver temperatur høyere enn 0oK får noen av valenselektronene i halvlederkristallet nok energi til å hoppe fra valensbåndet til ledningsbåndet og etterlater et hull i valensbåndet. Denne energien er omtrent lik 1,2 eV ved romtemperatur (dvs. ved 300oK), som tilsvarer bandgap-energien til silisium.

I intrinsisk silisiumkristall er antallet hull likt antallet frie elektroner. Ettersom hvert elektron når det forlater kovalentbindingen bidrar med et hull i den brutte bindingen. Ved en bestemt temperatur opprettes nye elektron-hullpar kontinuerlig av termisk energi, mens et like antall par rekombinerer. Derfor er antallet elektron-hullpar det samme i et gitt volum av intrinsisk silisium ved en bestemt temperatur. Dette er en likevektstilstand. Det er derfor naturlig at i likevektstilstanden er frielektronkoncentrasjonen n og hullkoncentrasjonen p like hverandre, og dette er ingenting annet enn intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon (ni). Altså, n = p = ni. Atomstrukturen er vist nedenfor.

Intrinsisk silisium ved 0oK

Intrinsisk silisium ved romtemperatur

Ekstrinsisk silisium

Intrinsisk silisium kan bli omgjort til ekstrinsisk silisium når det dopes med et kontrollert mengde dopant. Hvis det dopes med donorelement (gruppe V-elementer) blir det en n-type halvleder, og når det dopes med akseptorelementer (gruppe III-elementer) blir det en p-type halvleder.

La oss legge til en liten mengde gruppe V-element i et intrinsisk silisiumkristall. Eksempler på gruppe V-elementer er fosfor (P), arseen (As), antimon (Sb) og vismut (Bi). De har fem valenselektroner. Når de erstatter et Si-atom, danner de fire valenselektroner kovalente bindinger med naboatomer, mens det femte elektronet, som ikke deltar i å danne kovalentbindingen, er løst festet til foreldreatomet og kan lett forlate atomet som et fritt elektron. Energien som er nødvendig for silisium for dette formålet, altså for å slippe det femte elektronet, er omtrent 0,05 eV. Denne type forurensning kalles donor, da den bidrar med frie elektroner til silisiumkristallet. Silisiet er kjent som n-type eller negativ type silisium, da elektronene er negativt ladede partikler.

Fermienerginivået beveger seg nærmere ledningsbåndet i n-type silisium. Her øker antallet frie elektroner over intrinsisk elektronkonsentrasjon. På den andre siden minker antallet hull over intrinsisk hullkonsentrasjon, da det er større sannsynlighet for rekombinasjon på grunn av det større antallet frie elektroner. Elektroner er majoritetsladningsbærere.

Ekstrinsisk silisium med pentavalent forurenset

Hvis en liten mengde gruppe III-elementer legges til et intrinsisk halvlederkristall, erstatter de et silisiumatom, gruppe III-elementer som AI, B, IN har tre valenselektroner. Disse tre elektronene danner kovalente bindinger med naboatomer, noe som skaper et hull. Disse typene forurensningsatomer er kjent som akseptorer. Halvlederen er kjent som p-type halvleder, da hullene antas å være positivt ladede.

Ekstrinsisk silisium med trivalent forurenset

Fermienerginivået i p-type halvledere flytter seg nærmere valensbåndet. Antallet hull øker, mens antallet elektroner minker sammenlignet med intrinsisk silisium. I p-type halvledere er hullene majoritetsladningsbærere.

Intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon i silisium

Når et elektron hopper fra valensbåndet til ledningsbåndet på grunn av termisk opphisselse, opprettes frie bærere i begge bånd, altså elektron i ledningsbåndet og hull i valensbåndet. Koncentrasjonen av disse bærerne kalles intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon. Praktisk talt i rent eller intrinsisk silisiumkristall er antallet hull (p) og elektroner (n) like store, og de er like store som intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon ni. Derfor, n = p = ni

Antallet av disse bærerne avhenger av bandgap-energien. For silisium er bandgap-energien 1,2 eV ved 298oK, og intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon i silisium øker med økende temperatur. Intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon i silisium er gitt av,

Her, T = temperatur i absolutt skala

Intrinsisk ladningsbærerkonsentrasjon ved 300oK er 1,01 × 1010 cm-3. Men den tidligere aksepterte verdien er 1,5 × 1010 cm-3.