Šta su Intrinsic silicij i Extrinsic silicij

Šta su intrinzični silicij i ekstrinzični silicij?

Intrinzični silicij

Silicij je ključni element poluprovodnika. Silicij pripada grupi IV materija. U svom spoljnjem orbitu ima četiri valentna elektrona koji su vezani kovalentnim vezama s valentnim elektronima četiri susedna atoma silicija. Ovi valentni elektroni nisu dostupni za struju. Dakle, na temperaturi od 0oK, intrinzični silicij se ponaša kao izolator. Kada se temperatura podigne, neki valentni elektroni prekidaju svoje kovalentne veze zbog toplinske energije. To stvara prazninu, poznatu kao rupa, gde se nalazio elektron. Drugim rečima, na bilo kojoj temperaturi većoj od 0oK, neki valentni elektroni u kristalu poluprovodnika dobijaju dovoljnu energiju da preskoči u vodilnu zonu sa valentne zone i ostave rupu u valentnoj zoni. Ova energija iznosi otprilike 1.2 eV na sobnoj temperaturi (tj. na 300oK), što je jednako energetskoj razmaci silicija.

U kristalu intrinzičnog silicija, broj rupa je jednak broju slobodnih elektrona. Pošto svaki elektron kada napusti kovalentnu vezu doprinosi rupu u prekinutoj vezi. Na određenoj temperaturi, nove parove elektron-rupa neprekidno stvaraju toplinska energija, dok se jednak broj parova rekombinuje. Stoga, na određenoj temperaturi u određenom zapreminskom delu intrinzičnog silicija, broj parova elektron-rupa ostaje isti. Ovo je stanje ravnoteže. Dakle, očigledno je da u stanju ravnoteže, koncentracija slobodnih elektrona n i koncentracija rupa p su jednake međusobno, i to je ništa drugo nego intrinzična koncentracija nosača naboja (ni). tj. n = p = ni. Atomska struktura je prikazana ispod.

Intrinzični silicij na 0oK

Intrinzični silicij na sobnoj temperaturi

Ekstrinzični silicij

Intrinzični silicij može biti pretvoren u ekstrinzični silicij kada se dopira kontrolisanom količinom dopiranika. Ako se dopira atomima dajera (elementi grupe V) postaje n-tip poluprovodnik, a kada se dopira atomima akceptora (elementi grupe III) postaje p-tip poluprovodnik.

Neka se malo elemenata grupe V dodati kristalu intrinzičnog silicija. Primeri elemenata grupe V su fosfor (P), arsenik (As), antimon (Sb) i vismut (Bi). Oni imaju pet valentnih elektrona. Kada zamenjuju Si atom, četiri valentna elektrona formiraju kovalentne veze sa susednim atomima, a peti elektron, koji ne učešće u formiranju kovalentne veze, slabo je vezan za roditeljski atom i lako može napustiti atom kao slobodan elektron. Energija potrebna siliciju za ovu svrhu, tj. za oslobađanje petog elektrona, iznosi otprilike 0.05 eV. Ovaj tip kontaminacije naziva se dajer jer doprinosi slobodne elektrone kristalu silicija. Silicij se naziva n-tip ili negativni tip silicija, jer su elektroni negativno nabijeni čestice.

Razina Fermijeve energije približava se vodilnoj zoni u n-tip siliciju. Ovde se povećava broj slobodnih elektrona preko intrinzične koncentracije elektrona. S druge strane, broj rupa se smanjuje preko intrinzične koncentracije rupa, jer postoji veća verovatnoća rekombinacije zbog većeg broja slobodnih elektrona. Elektroni su većinski nosači naboja.

Ekstrinzični silicij sa pentavalentnim dopiranikom

Ako se mala količina elemenata grupe III dodati kristalu intrinzičnog poluprovodnika, oni zamenjuju atom silicija, elementi grupe III poput AI, B, IN imaju tri valentna elektrona. Ova tri elektrona formiraju kovalentne veze sa susednim atomima stvarajući rupu. Ovi tipovi kontaminacije atomi su poznati kao akceptori. Poluprovodnik je poznat kao p-tip poluprovodnik, jer se pretpostavlja da je rupa pozitivno nabijena.

Ekstrinzični silicij sa trivalentnim dopiranikom

Razina Fermijeve energije u p-tip poluprovodnicima približava se valentnoj zoni. Broj rupa se povećava, dok se broj elektrona smanjuje u poređenju sa intrinzičnim silicijom. U p-tip poluprovodnicima, rupe su većinski nosači naboja.

Intrinzična koncentracija nosača naboja u siliciju

Kada elektron skoči iz valentne u vodilnu zonu zbog termalne ekscitacije, slobodni nosači se stvaraju u oba banda, to jest elektron u vodilnoj zoni i rupa u valentnoj zoni. Koncentracija ovih nosača poznata je kao intrinzična koncentracija nosača. Praktično, u čistom ili intrinzičnom kristalu silicija, broj rupa (p) i elektrona (n) je jednak, i oni su jednaki intrinzičnoj koncentraciji nosača ni. Stoga, n = p = ni

Broj ovih nosača zavisi od energetske razmake. Za silicij, energetska razmaka iznosi 1.2 eV na 298oK, intrinzična koncentracija nosača u siliciju raste sa porastom temperature. Intrinzična koncentracija nosača u siliciju data je formulom,

Ovdje, T = temperatura u apsolutnoj skali

Intrinzična koncentracija nosača na 300oK iznosi 1.01 × 1010 cm-3. Ali prethodno prihvaćena vrednost iznosila je 1.5 × 1010 cm-3.