ซิลิกอนในตัวเองและซิลิกอนภายนอกคืออะไร

ซิลิกอนพื้นฐานและซิลิกอนที่ไม่ใช่พื้นฐานคืออะไร?

ซิลิกอนพื้นฐาน

ซิลิกอนเป็นธาตุกึ่งตัวนำที่สำคัญ ซิลิกอนเป็นวัสดุกลุ่ม IV ในวงโคจรด้านนอกของมันมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัวที่ถูกยึดด้วยพันธะโคเวเลนต์กับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของอะตอมซิลิกอนที่อยู่ใกล้เคียง สี่อิเล็กตรอนวาเลนซ์เหล่านี้ไม่สามารถใช้งานได้สำหรับกระแสไฟฟ้า ดังนั้น ที่ OoK ซิลิกอนพื้นฐานจะทำหน้าที่เหมือนฉนวน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนวาเลนซ์บางตัวจะแตกพันธะโคเวเลนต์เนื่องจากพลังงานความร้อน ทำให้เกิดช่องว่างที่เรียกว่าหลุม ที่อิเล็กตรอนเคยอยู่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ที่อุณหภูมิใดๆ ที่มากกว่า 0oK อิเล็กตรอนวาเลนซ์บางตัวในผลึกกึ่งตัวนำจะได้รับพลังงานเพียงพอในการกระโดดจากวงวาเลนซ์ไปยังวงนำไฟฟ้า และทิ้งหลุมไว้ในวงวาเลนซ์ พลังงานนี้ประมาณ 1.2 eV ที่อุณหภูมิห้อง (i.e. ที่ 300oK) ซึ่งเท่ากับพลังงานช่องว่างของซิลิกอน

ในผลึกซิลิกอนพื้นฐาน จำนวนหลุมเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ เนื่องจากเมื่ออิเล็กตรอนละทิ้งพันธะโคเวเลนต์ จะสร้างหลุมในพันธะที่แตก ที่อุณหภูมิเฉพาะ คู่อิเล็กตรอน-หลุมใหม่จะถูกสร้างขึ้นโดยพลังงานความร้อน โดยมีคู่ที่เท่ากันถูกรวมเข้าด้วยกัน ดังนั้น ที่อุณหภูมิและความหนาแน่นเฉพาะในซิลิกอนพื้นฐาน จำนวนคู่อิเล็กตรอน-หลุมจะคงที่ นี่คือภาวะสมดุล ดังนั้น ในภาวะสมดุล ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระ n และความเข้มข้นของหลุม p จะเท่ากัน และนี่คือความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐาน (ni) กล่าวคือ n = p = ni โครงสร้างอะตอมแสดงด้านล่าง

ซิลิกอนพื้นฐานที่ 0oK

ซิลิกอนพื้นฐานที่อุณหภูมิห้อง

ซิลิกอนที่ไม่ใช่พื้นฐาน

ซิลิกอนพื้นฐานสามารถเปลี่ยนเป็นซิลิกอนที่ไม่ใช่พื้นฐานเมื่อผสมกับสารเจือปนในปริมาณที่ควบคุม ถ้าผสมกับอะตอมบริจาค (ธาตุกลุ่ม V) มันจะกลายเป็นกึ่งตัวนำชนิด n และเมื่อผสมกับอะตอมยอมรับ (ธาตุกลุ่ม III) มันจะกลายเป็นกึ่งตัวนำชนิด p

หากมีการเพิ่มธาตุกลุ่ม V ลงในผลึกซิลิกอนพื้นฐานเล็กน้อย ตัวอย่างของธาตุกลุ่ม V คือ ฟอสฟอรัส (P), แอสซินิค (As), แอนทิโมนี (Sb) และบิสมัท (Bi) พวกมันมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ห้าตัว เมื่อแทนที่อะตอม Si สี่อิเล็กตรอนวาเลนซ์จะทำพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมใกล้เคียง และอิเล็กตรอนตัวที่ห้าที่ไม่ได้เข้าร่วมในการสร้างพันธะโคเวเลนต์จะยึดติดกับอะตอมแม่แบบหลวมๆ และสามารถออกจากอะตอมเป็นอิเล็กตรอนอิสระได้ง่าย พลังงานที่จำเป็นสำหรับการทำให้อิเล็กตรอนตัวที่ห้าหลุดออกคือประมาณ 0.05 eV สารเจือปนประเภทนี้เรียกว่าสารบริจาค เนื่องจากมันมอบอิเล็กตรอนอิสระให้กับผลึกซิลิกอน ซิลิกอนชนิดนี้เรียกว่า n- ชนิดหรือซิลิกอนเชิงลบ เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ

ระดับพลังงานเฟอร์มีย้ายใกล้กับวงนำไฟฟ้าในซิลิกอนชนิด n ที่นี่ จำนวนอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้นเหนือความเข้มข้นของอิเล็กตรอนพื้นฐาน ในทางตรงกันข้าม จำนวนหลุมลดลงเหนือความเข้มข้นของหลุมพื้นฐาน เนื่องจากมีโอกาสในการรวมตัวมากขึ้นเนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่มากขึ้น อิเล็กตรอนเป็นพาหะประจุส่วนใหญ่

ซิลิกอนที่ไม่ใช่พื้นฐานกับสารเจือปน pentavalent

หากมีการเพิ่มธาตุกลุ่ม III ลงในผลึกกึ่งตัวนำพื้นฐานเล็กน้อย พวกมันจะแทนที่อะตอมซิลิกอน ธาตุกลุ่ม III เช่น AI, B, IN มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สามตัว สามอิเล็กตรอนวาเลนซ์เหล่านี้จะทำพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมใกล้เคียงและสร้างหลุม สารเจือปนประเภทนี้เรียกว่าสารยอมรับ กึ่งตัวนำชนิดนี้เรียกว่า p- ชนิด เนื่องจากหลุมถือว่ามีประจุบวก

ซิลิกอนที่ไม่ใช่พื้นฐานกับสารเจือปน trivalent

ระดับพลังงานเฟอร์มีในกึ่งตัวนำชนิด p ย้ายใกล้กับวงวาเลนซ์ จำนวนหลุมเพิ่มขึ้น ในขณะที่จำนวนอิเล็กตรอนลดลงเมื่อเทียบกับซิลิกอนพื้นฐาน ในกึ่งตัวนำชนิด p หลุมเป็นพาหะประจุส่วนใหญ่

ความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐานของซิลิกอน

เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดจากวงวาเลนซ์ไปยังวงนำไฟฟ้าเนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อน ผู้นำอิสระถูกสร้างขึ้นในทั้งสองวง คือ อิเล็กตรอนในวงนำไฟฟ้าและหลุมในวงวาเลนซ์ ความเข้มข้นของผู้นำเหล่านี้เรียกว่าความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐาน ในทางปฏิบัติ ในการผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์หรือซิลิกอนพื้นฐาน จำนวนหลุม (p) และอิเล็กตรอน (n) เท่ากัน และเท่ากับความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐาน ni ดังนั้น n = p = ni

จำนวนของผู้นำเหล่านี้ขึ้นอยู่กับพลังงานช่องว่าง สำหรับซิลิกอน พลังงานช่องว่างคือ 1.2 eV ที่ 298oK ความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐานในซิลิกอนเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐานในซิลิกอนกำหนดโดย,

ที่นี่ T = อุณหภูมิในมาตราสัมบูรณ์

ความเข้มข้นของพาหะประจุพื้นฐานที่ 300oK คือ 1.01 × 1010 cm-3 แต่ค่าที่ยอมรับก่อนหน้านี้คือ 1.5 × 1010 cm-3.