Що таке внутрішній кремій та зовнішній кремій

Що таке внутрішній кремній та зовнішній кремній?

Внутрішній кремній

Кремній є важливим елементом-полупровідником. Кремній належить до групи IV. У його зовнішній орбіті знаходиться чотири валентних електрона, які утримуються ковалентними зв'язками з валентними електронами чотирьох сусідніх атомів кремнію. Ці валентні електрони не доступні для електричного струму. Тому при 0oK внутрішній кремній поводиться як ізолятор. Коли температура підвищується, деякі валентні електрони розривають свої ковалентні зв'язки через теплову енергію. Це створює вакансію, відому як діра, де був електрон. Іншими словами, при будь-якій температурі, більшій за 0oK, деякі валентні електрони в кристалі полупровідника отримують достатньо енергії, щоб перейти з валентної зони в зону провідності, залишивши діру в валентній зоні. Ця енергія приблизно дорівнює 1,2 еВ при кімнатній температурі (тобто при 300oK), що дорівнює енергії запрещеної зони кремнію.

У кристалі внутрішнього кремнію кількість дір дорівнює кількості вільних електронів. Оскільки кожен електрон, покидаючи ковалентний зв'язок, створює діру в порушенному зв'язку. При певній температурі нові пари електрон-діра неперервно створюються за допомогою теплової енергії, тоді як рівна кількість пар рекомбінується. Тому при певній температурі в певному об'ємі внутрішнього кремнію кількість пар електрон-діра залишається однаковою. Це є рівноважним станом. Тому очевидно, що у рівноважному стані концентрація вільних електронів n і концентрація дір p дорівнюють одна одній, і це є нічим іншим, як внутрішня концентрація носіїв заряду (ni). Тобто, n = p = ni. Атомна структура показана нижче.

Внутрішній кремній при 0oK

Внутрішній кремній при кімнатній температурі

Зовнішній кремній

Внутрішній кремній можна перетворити на зовнішній, коли його легирують контролованою кількістю доданків. Якщо його легують донорними атомами (елементи групи V), він стає n-типом полупровідника, а коли його легують акцепторними атомами (елементи групи III), він стає p-типом полупровідника.

Нехай невелика кількість елементів групи V додається до кристалу внутрішнього кремнію. Приклади елементів групи V - фосфор (P), мышьяк (As), сурма (Sb) та вісмут (Bi). Вони мають п'ять валентних електронів. Коли вони заміняють атом Si, чотири валентні електрони утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами, а п'ятий електрон, який не береться до утворення ковалентного зв'язку, слабо зв'язаний з батьківським атомом і може легко залишити атом як вільний електрон. Енергія, необхідна для кремнію, щоб вивільнити цей п'ятий електрон, становить приблизно 0,05 еВ. Такий тип забруднення називається донором, оскільки він надає вільних електронів кристалу кремнію. Кремній відомий як n-тип або негативний тип кремнію, оскільки електрони є негативно зарядженими частинками.

Рівень енергії Фермі наближається до зони провідності в n-типі кремнію. Тут кількість вільних електронів збільшується по відношенню до внутрішньої концентрації електронів. З іншого боку, кількість дір зменшується по відношенню до внутрішньої концентрації дір, оскільки існує більша ймовірність рекомбінації через більшу концентрацію вільних електронів. Електрони є основними носіями заряду.

Зовнішній кремній з п'ятивалентним забрудненням

Якщо невелика кількість елементів групи III додається до кристалу внутрішнього полупровідника, то вони заміняють атом кремнію, елементи групи III, такі як AI, B, IN, мають три валентні електрони. Ці три електрони утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами, створюючи діру. Такі типи забруднюючих атомів відомі як акцептори. Полупровідник відомий як p-тип полупровідника, оскільки діра вважається додатно зарядженою.

Зовнішній кремній з тривалентним забрудненням

Рівень енергії Фермі в p-типі полупровідників наближається до валентної зони. Кількість дір збільшується, а кількість електронів зменшується по відношенню до внутрішнього кремнію. У p-типі полупровідників діри є основними носіями заряду.

Внутрішня концентрація носіїв заряду кремнію

Коли електрон переходить з валентної зони в зону провідності через термічне збудження, вільні носії створюються в обох зонах, тобто електрон в зоні провідності і діра в валентній зоні. Концентрація цих носіїв відома як внутрішня концентрація носіїв. На практиці, в чистому або внутрішньому кристалі кремнію кількість дір (p) і електронів (n) дорівнюють одна одній, і вони дорівнюють внутрішній концентрації носіїв ni. Тому, n = p = ni

Кількість цих носіїв залежить від енергії запрещеної зони. Для кремнію енергія запрещеної зони становить 1,2 еВ при 298oK, внутрішня концентрація носіїв в кремнію зростає зі зростанням температури. Внутрішня концентрація носіїв в кремнію визначається за формулою,

Тут, T - температура в абсолютних одиницях

Внутрішня концентрація носіїв при 300oK становить 1,01 × 1010 см-3. Але раніше прийнятим значенням було 1,5 × 1010 см-3.