Kaj je vgrajeni silicij in zunanji silicij?

Kaj je intrinzični silicij in ekstrinzični silicij?

Intrinzični silicij

Silicij je ključen polprevodniški element. Silicij spada v skupino IV materialov. V svoji najbolj zunanjem orbiti ima štiri valentne elektrone, ki so vezani s kovalentnimi vezmi z valentnimi elektroni štirih sosednjih atomov silicija. Ti valentni elektroni niso na voljo za strmo. Torej, pri temperaturi 0oK se intrinzični silicij obnaša kot izolator. Ko se temperatura poviša, nekateri valentni elektroni prekinejo svoje kovalentne veze zaradi termalne energije. To ustvari prazno mesto, znano kot luknja, kjer je bil elektron. Z drugimi besedami, pri vsaki temperaturi, višji od 0oK, nekateri valentni elektroni v kristalu polprevodnika pridobijo dovolj energije, da preskočijo iz valentne pasove v vodilni pas in zapustijo luknjo v valentnem pasu. Ta energija je približno enaka 1,2 eV pri sobni temperaturi (tj. pri 300oK), kar je enako širini pasovne vrzeli silicija.

V kristalu intrinzičnega silicija je število luknj enako številu svobodnih elektronov. Ker vsak elektron, ko zapusti kovalentno vez, prispeva luknjo v prekinjeni vezi. Pri določeni temperaturi so nove parove elektron-luknja neprestano ustvarjani z termalno energijo, medtem ko se enako število parov ponovno združuje. Torej, pri določeni temperaturi in v določeni prostornini intrinzičnega silicija, ostane število parov elektron-luknja enako. To je ravnovesno stanje. Zato je očitno, da v ravnovesnem stanju koncentracija svobodnih elektronov n in koncentracija luknj p sta enaki, in to ni nič drugega kot intrinzična koncentracija nosilcev naboja (ni). Torej, n = p = ni. Atomska struktura je prikazana spodaj.

Intrinzični silicij pri 0oK

Intrinzični silicij pri sobni temperaturi

Ekstrinzični silicij

Intrinzični silicij se lahko pretvori v ekstrinzični, če ga dopiramo z kontrolovanim količinam dopantov. Če ga dopiramo s donatorskimi atomi (elementi skupine V) postane n-tip polprevodnik, in ko ga dopiramo s prijemniki (elementi skupine III) postane p-tip polprevodnik.

Če dodamo majhno količino elementa skupine V v kristal intrinzičnega silicija. Primeri elementov skupine V so fosfor (P), arzen (As), antimon (Sb) in bismut (Bi). Imajo pet valentnih elektronov. Ko zamenjajo atom Si, štiri valentni elektroni oblikujejo kovalentne veze s sosednjimi atomi, peti elektron, ki ne sodeluje pri oblikovanju kovalentne veze, pa je slabo povezan s starškim atomom in lahko hitro zapusti atom kot svoboden elektron. Energijski potencial, potreben za to, da silicij izpusti tega petega elektrona, je približno 0,05 eV. Takšna vrsta impuriteta se imenuje donator, ker prispeva svobodne elektrone kristalu silicija. Silicij se imenuje n-tip ali negativni tip silicija, ker so elektroni negativno nabiti delci.

Raven Fermijeve energije se v n-tipu silicija približa vodilnemu pasu. Tukaj se poveča število svobodnih elektronov nad intrinzično koncentracijo elektronov. Na drugi strani se število luknj zmanjša nad intrinzično koncentracijo luknj, ker je večja verjetnost rekompleksiranja zaradi večjega števila svobodnih elektronov. Elektroni so večinski nosilci naboja.

Ekstrinzični silicij z pentavalentnimi impuriteti

Če dodamo majhno količino elementov skupine III v kristal intrinzičnega polprevodnika, jih zamenjajo atom silicija, elementi skupine III, kot so AI, B, IN, imajo tri valentne elektrone. Ti tri elektroni oblikujejo kovalentne veze s sosednjimi atomi in ustvarijo luknjo. Takšni impuritieski atomi se imenujejo akceptorji. Polprevodnik se imenuje p-tip, ker se luknja obravnava kot pozitivno nabito delce.

Ekstrinzični silicij z trivalentnimi impuriteti

Raven Fermijeve energije v p-tipu polprevodnikov se približa valentnemu pasu. Število luknj se poveča, medtem ko se število elektronov zmanjša v primerjavi s intrinzičnim silicijem. V p-tipih polprevodnikov so luknje večinski nosilci naboja.

Intrinzična koncentracija nosilcev naboja v siliciju

Ko elektron skoči iz valentnega pasu v vodilni pas zaradi termalne ekscitacije, se ustvarijo svobodni nosilci naboja v obeh pasovih, tj. elektron v vodilnem pasu in luknja v valentnem pasu. Koncentracija teh nosilcev se imenuje intrinzična koncentracija nosilcev. Praktično v čistem ali intrinzičnem kristalu silicija je število luknj (p) in elektronov (n) enako, in enako je intrinzični koncentraciji nosilcev ni. Torej, n = p = ni

Število teh nosilcev je odvisno od širine pasovne vrzeli. Za silicij je širina pasovne vrzeli 1,2 eV pri 298oK. Intrinzična koncentracija nosilcev v siliciju se povečuje s povečevanjem temperature. Intrinzična koncentracija nosilcev v siliciju je podana s formulo,

Tu, T = temperatura v absolutni lestvici

Intrinzična koncentracija nosilcev pri 300oK je 1,01 × 1010 cm-3. Vendar je prej sprejeta vrednost 1,5 × 1010 cm-3.