Что такое внутренний кремний и внешний кремний?

Что такое внутренний кремний и внешний кремний?

Внутренний кремний

Кремний является важным полупроводниковым элементом. Кремний относится к группе IV. В его внешней орбитали имеются четыре валентных электрона, которые связаны ковалентными связями с валентными электронами четырех соседних атомов кремния. Эти валентные электроны не участвуют в электричестве. Поэтому при температуре 0oK внутренний кремний ведет себя как диэлектрик. Когда температура повышается, некоторые валентные электроны разрывают свои ковалентные связи из-за тепловой энергии. Это создает вакансию, известную как дырка, где был электрон. Другими словами, при любой температуре, превышающей 0oK, некоторые валентные электроны в кристалле полупроводника получают достаточную энергию, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости, оставляя за собой дырку в валентной зоне. Эта энергия примерно равна 1,2 эВ при комнатной температуре (т.е. при 300oK), что равно ширине запрещенной зоны кремния.

В кристалле внутреннего кремния количество дырок равно количеству свободных электронов. Поскольку каждый электрон, покидающий ковалентную связь, образует дырку в разорванной связи. При определенной температуре новые пары электрон-дырка непрерывно создаются за счет тепловой энергии, в то время как равное количество пар рекомбинирует. Таким образом, при определенной температуре в определенном объеме внутреннего кремния количество пар электрон-дырка остается постоянным. Это состояние равновесия. Следовательно, очевидно, что в состоянии равновесия концентрация свободных электронов n и концентрация дырок p равны друг другу, и это ничто иное, как внутренняя концентрация носителей заряда (ni). т.е., n = p = ni. Атомная структура показана ниже.

Внутренний кремний при 0oK

Внутренний кремний при комнатной температуре

Внешний кремний

Внутренний кремний можно превратить во внешний кремний, добавив контролируемое количество примесей. Если он легирован донорными атомами (элементы группы V), он становится n-типом полупроводника, а если легирован акцепторными атомами (элементы группы III), он становится p-типом полупроводника.

Пусть небольшое количество элементов группы V добавлено к кристаллу внутреннего кремния. Примеры элементов группы V - фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb) и висмут (Bi). Они имеют пять валентных электронов. Когда они замещают атом Si, четыре валентных электрона образуют ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон, который не участвует в формировании ковалентной связи, слабо связан с родительским атомом и может легко покинуть атом в виде свободного электрона. Энергия, необходимая для этого, то есть для освобождения пятого электрона, составляет около 0,05 эВ. Такой тип примеси называется донором, так как он вносит свободные электроны в кристалл кремния. Кремний называется n-типом или отрицательным типом кремния, так как электроны являются отрицательно заряженными частицами.

Уровень Ферми в n-типе кремния смещается ближе к зоне проводимости. Здесь количество свободных электронов увеличивается по сравнению с внутренней концентрацией электронов. С другой стороны, количество дырок уменьшается по сравнению с внутренней концентрацией дырок, так как вероятность рекомбинации выше из-за большего количества свободных электронов. Электроны являются основными носителями заряда.

Внешний кремний с пентавалентной примесью

Если небольшое количество элементов группы III добавлено к кристаллу внутреннего полупроводника, то они замещают атом кремния, элементы группы III, такие как AI, B, IN, имеют три валентных электрона. Эти три электрона образуют ковалентные связи с соседними атомами, создавая дырку. Такие примесные атомы называются акцепторами. Полупроводник называется p-типом, так как дырка считается положительно заряженной.

Внешний кремний с трехвалентной примесью

Уровень Ферми в p-типе полупроводников смещается ближе к валентной зоне. Количество дырок увеличивается, а количество электронов уменьшается по сравнению с внутренним кремнием. В p-типе полупроводников дырки являются основными носителями заряда.

Внутренняя концентрация носителей заряда в кремнии

Когда электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости из-за теплового возбуждения, свободные носители заряда создаются в обеих зонах, то есть электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация этих носителей называется внутренней концентрацией носителей. На практике, в чистом или внутреннем кристалле кремния количество дырок (p) и электронов (n) равны друг другу, и они равны внутренней концентрации носителей ni. Следовательно, n = p = ni

Количество этих носителей зависит от ширины запрещенной зоны. Для кремния ширина запрещенной зоны составляет 1,2 эВ при 298oK, внутренняя концентрация носителей в кремнии увеличивается с ростом температуры. Внутренняя концентрация носителей в кремнии определяется формулой,

Здесь, T = температура в абсолютных единицах

Внутренняя концентрация носителей при 300oK составляет 1,01 × 1010 см-3. Однако ранее принятое значение было 1,5 × 1010 см-3.