Vad är inbyggt silikon och externt silikon?

Vad är intrinsisk silicium och extrinsisk silicium?

Intrinsiskt silicium

Silicium är ett viktigt halvledarmaterial. Silicium tillhör grupp IV. I dess yttre elektronhölje har det fyra valenselektroner som hålls fast genom kovalenta bindningar med valenselektronerna från fyra intilliggande siliciumatomer. Dessa valenselektroner är inte tillgängliga för elektricitet. Så, vid 0oK beter sig intrinsiskt silicium som en isolator. När temperaturen stiger bryter vissa valenselektroner sina kovalenta bindningar på grund av termisk energi. Detta skapar en tomrum, kallat ett hål, där elektronen fanns. Med andra ord, vid vilken temperatur som helst över 0oK får några av de valenselektroner i halvledarkristallen tillräckligt med energi för att hoppa från valensbandet till konduktionsbandet och lämna ett hål i valensbandet. Denna energi är ungefär lika med 1,2 eV vid rumstemperatur (dvs vid 300oK), vilket motsvarar bandgap-energin hos silicium.

I intrinsiska siliciumkristaller är antalet hål lika med antalet fria elektroner. Eftersom varje elektron när den lämnar kovalentbindningen bidrar med ett hål i den brutna bindningen. Vid en viss temperatur skapas kontinuerligt nya elektron-hålpar av termisk energi, samtidigt som ett lika antal par återförenas. Därför, vid en viss temperatur i en viss volym av intrinsiskt silicium förblir antalet elektron-hålpar oförändrat. Detta är en jämviktsförhållande. Därför är det uppenbart att i jämviktsläget är koncentrationen av fria elektroner n och hålkonsentrationen p lika med varandra, och detta är inget annat än intrinsisk laddningsbärarkoncentration (ni). dvs, n = p = ni. Atomstrukturen visas nedan.

Intrinsiskt silicium vid 0oK

Intrinsiskt silicium vid rumstemperatur

Extrinsiskt silicium

Intrinsiskt silicium kan omvandlas till extrinsiskt silicium när det dopas med en kontrollerad mängd dopant. När det dopas med donatoratom (grupp V-ämnen) blir det en n-typ halvledare och när det dopas med acceptoratomer (grupp III-ämnen) blir det en p-typ halvledare.

Låt oss tillsätta en liten mängd grupp V-ämne till en intrinsisk siliciumkristall. Exempel på grupp V-ämnen är fosfor (P), arseen (As), antimon (Sb) och bismut (Bi). De har fem valenselektroner. När de ersätter en Si-atom, bildar fyra valenselektroner kovalenta bindningar med närliggande atomer, och den femte elektronen som inte deltar i bildandet av kovalentbindningen är löst kopplad till föräldratomen och kan lätt lämna atomen som en fri elektron. Den energi som krävs för silicium för detta ändamål, det vill säga för frigörelse av den femte elektronen, är cirka 0,05 eV. Denna typ av förorening kallas för en donator eftersom den bidrar med fria elektroner till siliciumkristallen. Silicium kallas för n-typ eller negativ typ silicium eftersom elektronerna är negativt laddade partiklar.

Fermi-nivån flyttar sig närmare konduktionsbandet i n-typ silicium. Här ökar antalet fria elektroner över intrinsisk koncentration av elektroner. Å andra sidan minskar antalet hål över intrinsisk hålkonsentration eftersom det finns större sannolikhet för rekombination på grund av den större koncentrationen av fria elektroner. Elektroner är majoritetsladdningsbärare.

Extrinsiskt silicium med pentavalent förorening

Om en liten mängd grupp III-ämnen tillsätts en intrinsisk halvledarkristall, så ersätter de en siliciumatom, grupp III-ämnen som AI, B, IN har tre valenselektroner. Dessa tre elektroner bildar kovalenta bindningar med närliggande atomer och skapar ett hål. Dessa typer av föroreningsatomer kallas för acceptorer. Halvledaren kallas för p-typ halvledare eftersom hålet antas vara positivt laddat.

Extrinsiskt silicium med trivalent förorening

Fermi-nivån i p-typ halvledare flyttar sig närmare valensbandet. Antalet hål ökar, medan antalet elektroner minskar jämfört med intrinsiskt silicium. I p-typ halvledare är hålen majoritetsladdningsbärare.

Intrinsisk laddningsbärarkoncentration hos silicium

När en elektron hoppar från valensbandet till konduktionsbandet på grund av termisk upphettning, skapas fria bärare i båda banden, det vill säga elektron i konduktionsbandet och hål i valensbandet. Koncentrationen av dessa bärare kallas för intrinsisk laddningsbärarkoncentration. Praktiskt sett i ren eller intrinsisk siliciumkristall är antalet hål (p) och elektroner (n) lika med varandra, och de är lika med intrinsisk laddningsbärarkoncentration ni. Därför, n = p = ni

Antalet av dessa bärare beror på bandgap-energin. För silicium är bandgap-energin 1,2 eV vid 298oK, intrinsisk laddningsbärarkoncentration i silicium ökar med ökad temperatur. Intrinsisk laddningsbärarkoncentration i silicium ges av,

Här, T = temperatur i absolut skala

Intrinsisk laddningsbärarkoncentration vid 300oK är 1,01 × 1010 cm-3. Men den tidigare accepterade värdet är 1,5 × 1010 cm-3.