Ano ang Intrinsic Silicon at Extrinsic Silicon?

Ano ang Intrinsic at Extrinsic na Silicon?

Intrinsic na Silicon

Ang silicon ay isang mahalagang elemento ng semiconductor. Ang silicon ay isang materyal ng grupo IV. Sa kanyang outer orbit, mayroon itong apat na valence electrons na hawak ng covalent bonds sa mga valence electrons ng apat na adjacent na silicon atoms. Ang mga valence electrons na ito ay hindi available para sa kuryente. Kaya, sa OoK, ang intrinsic na silicon ay gumagana bilang isang insulator. Kapag tumaas ang temperatura, ilang valence electrons ang bumabawi sa kanilang covalent bonds dahil sa thermal energy. Ito ay nag-udyok ng isang vacancy, na kilala bilang isang butas, kung saan nasaan ang electron. Sa ibang salita, sa anumang temperatura na mas mataas kaysa 0oK, ang ilang valence electrons sa semiconductor crystal ay nakakakuha ng sapat na enerhiya upang tumalon mula sa valance band patungo sa conduction band at iiwan ang isang butas sa valence band. Ang enerhiyang ito ay humigit-kumulang na 1.2 eV sa temperatura ng silid (i.e. sa 300oK) na katumbas ng band gap energy ng silicon.

Sa intrinsic na silicon crystal, ang bilang ng mga butas ay katumbas ng bilang ng mga libreng electrons. Dahil bawat electron kapag umalis sa covalent bond ay nag-ambag ng isang butas sa nasirang bond. Sa tiyak na temperatura, ang mga bagong electron-hole pairs ay patuloy na nilikha ng thermal energy, habang ang parehong bilang ng mga pairs ay magkakaroon ng recombination. Kaya, sa partikular na temperatura sa tiyak na volume ng insintric na silicon, ang bilang ng mga electron-hole pairs ay nananatiling pare-pareho. Ito ay isang kondisyon ng equilibrium. Kaya, malinaw na sa kondisyong equilibrium, ang concentration ng mga libreng electrons (n) at ang concentration ng mga butas (p) ay katumbas ng bawat isa, at ito ay wala kundi ang intrinsic charge carrier concentration (ni). i.e., n = p = ni. Ang atomic structure ay ipinapakita sa ibaba.

Intrinsic na Silicon sa 0oK

Intrinsic na Silicon sa Normal na Temperatura

Extrinsic na Silicon

Ang intrinsic na silicon ay maaaring maging extrinsic na silicon kapag ito ay doped ng kontroladong halaga ng dopants. Kapag ito ay doped ng donor atom (grupo V elements), ito ay naging n-type semiconductor, at kapag ito ay doped ng acceptor atoms (grupo III elements), ito ay naging p-type semiconductor.

Hayaang isang kaunting halaga ng elemento ng grupo V ay idinagdag sa isang intrinsic na silicon crystal. Ang mga halimbawa ng elemento ng grupo V ay phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), at bismuth (Bi). Mayroon silang limang valence electrons. Kapag sila ay nagpalit ng isang Si atom, ang apat na valence electrons ay gumawa ng covalent bonds sa mga kalapit na atoms, at ang ikalimang electron na hindi sumasali sa paggawa ng covalent bond ay loosely attached sa parent atom at maaari nang madaling umalis sa atom bilang isang libreng electron. Ang enerhiya na kinakailangan para sa layuning ito, o para sa paglabas ng ikalimang electron, ay humigit-kumulang na 0.05 eV. Ang uri ng impurity na ito ay tinatawag na donor dahil ito ay nag-ambag ng libreng electrons sa silicon crystal. Ang silicon ay kilala bilang n-type o negative type silicon dahil ang mga electrons ay negatibong na-charged na particles.

Ang Fermi Energy Level ay lumapit sa conduction band sa n-type silicon. Dito, ang bilang ng mga libreng electrons ay tumaas sa ibabaw ng intrinsic concentration ng electrons. Sa kabilang banda, ang bilang ng mga butas ay bumaba sa ibabaw ng intrinsic hole concentration dahil may mas maraming posibilidad ng recombination dahil sa mas malaking bilang ng libreng electrons. Ang electrons ang majority charge carriers.

Extrinsic na Silicon na may Pentavalent Impurity

Kapag isang kaunting halaga ng elemento ng grupo III ay idinagdag sa isang intrinsic na semiconductor crystal, ang mga ito ay nagpalit ng isang silicon atom, ang mga elemento ng grupo III tulad ng AI, B, IN ay may tatlong valence electrons. Ang tatlong electrons na ito ay gumawa ng covalent bonds sa mga kalapit na atoms, na nag-udyok ng isang butas. Ang uri ng impurity atoms na ito ay kilala bilang acceptors. Ang semiconductor ay kilala bilang p-type semiconductor dahil ang butas ay inaasahan na positibong na-charged.

Extrinsic na Silicon na may Trivalent Impurity

Ang Fermi energy level sa p-type semiconductors ay lumapit sa valence band. Ang bilang ng mga butas ay tumaas, habang ang bilang ng mga electrons ay bumaba kumpara sa intrinsic na silicon. Sa p-type semiconductors, ang mga butas ang majority charge carriers.

Intrinsic Carrier Concentration ng Silicon

Kapag isang electron ay tumalon mula sa valence band patungo sa conduction band dahil sa thermal excitation, ang free carriers ay nilikha sa parehong bands na ito, electrons sa conduction band at butas sa valence band. Ang concentration ng mga carriers na ito ay kilala bilang intrinsic carrier concentration. Praktikal na sa puro o intrinsic na silicon crystal, ang bilang ng mga butas (p) at electrons (n) ay katumbas ng bawat isa, at sila ay katumbas ng intrinsic carrier concentration ni. Kaya, n = p = ni

Ang bilang ng mga carriers na ito ay depende sa band gap energy. Para sa silicon, ang band gap energy ay 1.2 eV sa 298oK, ang intrinsic carrier concentration sa silicon ay tumaas kasabay ng pagtaas ng temperatura. Ang intrinsic carriers concentration sa silicon ay ibinigay ng,

Dito, T = temperatura sa absolute scale

Ang intrinsic carrier concentration sa 300oK ay 1.01 × 1010 cm-3. Ngunit ang dating tanggap na halaga ay 1.5 × 1010 cm-3.