Co to jest krzem wewnętrzny i krzem zewnętrzny

Co to jest krzem wewnętrzny i zewnętrzny?

Krzem wewnętrzny

Krzem jest kluczowym półprzewodnikiem. Krzem należy do grupy IV. W jego zewnętrznej powłoce znajduje się cztery elektrony walencyjne, które są związane wiązaniami kowalencyjnymi z elektronami walencyjnymi czterech sąsiednich atomów krzemu. Te elektrony walencyjne nie są dostępne do przepływu prądu. Dlatego przy temperaturze 0oK krzem wewnętrzny zachowuje się jak izolator. Gdy temperatura wzrasta, niektóre elektrony walencyjne łamią swoje wiązania kowalencyjne z powodu energii termicznej. Powstaje wtedy brak, znany jako dziura, gdzie znajdował się elektron. Innymi słowy, przy każdej temperaturze wyższej niż 0oK niektóre elektrony walencyjne w kryształu półprzewodnika zdobywają wystarczającą energię, aby przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia, pozostawiając za sobą dziurę w pasmie walencyjnym. Ta energia wynosi około 1,2 eV w temperaturze pokojowej (tzn. przy 300oK), co odpowiada energii przerwy energetycznej krzemu.

W krysztale krzemu wewnętrznego liczba dziur jest równa liczbie wolnych elektronów. Ponieważ każdy elektron, który opuszcza wiązanie kowalencyjne, tworzy dziurę w złamaniu wiązania. Przy określonej temperaturze nowe pary elektron-dziura są ciągle tworzone przez energię termiczną, podczas gdy taka sama liczba par rekombinuje. Stąd, przy określonej temperaturze w określonym objętości krzemu wewnętrznego liczba par elektron-dziura pozostaje taka sama. Jest to stan równowagi. Zatem jest oczywiste, że w stanie równowagi, stężenie wolnych elektronów n i stężenie dziur p są równe sobie, a to jest nic innego jak stężenie nośników ładunku wewnętrznego (ni). Tzn., n = p = ni. Struktura atomowa przedstawiona jest poniżej.

Krzem wewnętrzny przy 0oK

Krzem wewnętrzny w temperaturze pokojowej

Krzem zewnętrzny

Krzem wewnętrzny można przekształcić w krzem zewnętrzny, dodając kontrolowaną ilość domieszk. Jeśli jest domieszkowany atomy dawcami (elementy grupy V), staje się półprzewodnikiem typu n, a jeśli jest domieszkowany atomy akceptorami (elementy grupy III), staje się półprzewodnikiem typu p.

Gdy mała ilość elementu grupy V jest dodana do kryształu krzemu wewnętrznego. Przykładami elementów grupy V są fosfor (P), arsen (As), antymon (Sb) i bismut (Bi). Mają one pięć elektronów walencyjnych. Gdy zastępują one atom Si, cztery elektrony walencyjne tworzą wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami, a piąty elektron, który nie uczestniczy w tworzeniu wiązania kowalencyjnego, jest luźno przyłączony do rodzica atomu i może łatwo opuścić atom jako wolny elektron. Energia potrzebna do tego celu, czyli do uwolnienia tego piątego elektronu, wynosi około 0,05 eV. Ten rodzaj domieszki nazywa się dawcą, ponieważ wnosi wolne elektrony do kryształu krzemu. Krzem ten jest znany jako typ n lub ujemny typ krzemu, ponieważ elektrony są cząstkami o ładunku ujemnym.

Poziom energii Fermiego zbliża się do pasa przewodzenia w krzemu typu n. Tutaj liczba wolnych elektronów zwiększa się ponad ich koncentrację wewnętrzną. Z drugiej strony, liczba dziur zmniejsza się w porównaniu z ich wewnętrzną koncentracją, ponieważ istnieje większa szansa na rekombinację z powodu większej koncentracji wolnych elektronów. Elektrony są głównymi nośnikami ładunku.

Krzem zewnętrzny z domieszką pentawalentową

Jeśli mała ilość elementów grupy III jest dodana do kryształu półprzewodnika wewnętrznego, zastępują one atom krzemu, elementy grupy III, takie jak Al, B, In, mają trzy elektrony walencyjne. Te trzy elektrony tworzą wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami, tworząc dziurę. Te rodzaje domieszek atomów nazywane są akceptorami. Półprzewodnik ten jest znany jako półprzewodnik typu p, ponieważ dziura jest uważana za ładunek dodatni.

Krzem zewnętrzny z domieszką triwalentową

Poziom energii Fermiego w półprzewodnikach typu p zbliża się do pasa walencyjnego. Liczba dziur zwiększa się, podczas gdy liczba elektronów maleje w porównaniu z krzemem wewnętrznym. W półprzewodnikach typu p dziury są głównymi nośnikami ładunku.

Koncentracja nośników ładunku wewnętrznego krzemu

Gdy elektron skacze z pasa walencyjnego do pasa przewodzenia ze względu na termiczne pobudzenie, powstają wolne nośniki ładunku w obu pasmach, czyli elektron w pasie przewodzenia i dziura w pasie walencyjnym. Koncentracja tych nośników ładunku jest znana jako koncentracja nośników ładunku wewnętrzna. Praktycznie, w czystym lub wewnętrznym kryształu krzemu liczba dziur (p) i elektronów (n) jest równa sobie, a jest równa koncentracji nośników ładunku wewnętrznej ni. Zatem, n = p = ni

Liczba tych nośników ładunku zależy od energii przerwy energetycznej. Dla krzemu, energia przerwy energetycznej wynosi 1,2 eV przy 298oK, koncentracja nośników ładunku wewnętrznych w krzemu zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Koncentracja nośników ładunku wewnętrznych w krzemu jest dana przez,

Tutaj, T = temperatura w skali bezwzględnej

Koncentracja nośników ładunku wewnętrznych przy 300oK wynosi 1,01 × 1010 cm-3. Ale poprzednio przyjętą wartością było 1,5 × 1010 cm-3.