Silicon nội tại và Silicon ngoại tại là gì?

Silicon nội tại và Silicon ngoại lai là gì?

Silicon nội tại

Silicon là một nguyên tố bán dẫn quan trọng. Silicon thuộc nhóm IV. Trong quỹ đạo bên ngoài, nó có bốn electron hóa trị được giữ bởi các liên kết cộng hóa trị với electron hóa trị của bốn nguyên tử silicon lân cận. Các electron này không sẵn sàng cho điện. Do đó, ở OoK, silicon nội tại hành xử như một chất cách điện. Khi nhiệt độ tăng, một số electron hóa trị bị phá vỡ liên kết cộng hóa trị do năng lượng nhiệt. Điều này tạo ra một chỗ trống, gọi là lỗ, nơi mà electron đã từng tồn tại. Nói cách khác, ở bất kỳ nhiệt độ nào lớn hơn 0oK, một số electron hóa trị trong tinh thể bán dẫn có đủ năng lượng để nhảy từ dải hóa trị sang dải dẫn và để lại một lỗ trong dải hóa trị. Năng lượng này khoảng 1.2 eV ở nhiệt độ phòng (tức là ở 300oK), tương đương với năng lượng khoảng cách băng của silicon.

Trong tinh thể silicon nội tại, số lỗ bằng số electron tự do. Vì mỗi electron khi rời khỏi liên kết cộng hóa trị tạo ra một lỗ trong liên kết bị phá vỡ. Tại một nhiệt độ nhất định, các cặp electron-lỗ mới liên tục được tạo ra bởi năng lượng nhiệt, trong khi số cặp bằng nhau tái hợp. Do đó, tại một nhiệt độ cụ thể trong một thể tích silicon nội tại, số cặp electron-lỗ vẫn giữ nguyên. Đây là điều kiện cân bằng. Do đó, rõ ràng rằng trong điều kiện cân bằng, nồng độ electron tự do n và nồng độ lỗ p bằng nhau, và đây chính là nồng độ mang điện nội tại (ni). Tức là, n = p = ni. Cấu trúc nguyên tử được hiển thị dưới đây.

Silicon nội tại ở 0oK

Silicon nội tại ở nhiệt độ phòng

Silicon ngoại lai

Silicon nội tại có thể trở thành silicon ngoại lai khi nó được pha tạp với một lượng kiểm soát các chất pha tạp. Khi nó được pha tạp với nguyên tử cho (nhóm V) nó trở thành bán dẫn loại n và khi nó được pha tạp với nguyên tử nhận (nhóm III) nó trở thành bán dẫn loại p.

Giả sử một lượng nhỏ nguyên tố nhóm V được thêm vào tinh thể silicon nội tại. Các ví dụ về nguyên tố nhóm V là phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) và bismuth (Bi). Chúng có năm electron hóa trị. Khi chúng thay thế một nguyên tử Si, bốn electron hóa trị tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử lân cận và electron thứ năm không tham gia tạo liên kết cộng hóa trị được gắn lỏng lẻo với nguyên tử cha và có thể dễ dàng rời khỏi nguyên tử như một electron tự do. Năng lượng cần thiết cho mục đích này, tức là để giải phóng electron thứ năm, là khoảng 0.05 eV. Loại tạp chất này được gọi là cho vì nó cung cấp electron tự do cho tinh thể silicon. Silicon được gọi là loại n hoặc silicon âm vì electron mang điện âm.

Mức năng lượng Fermi di chuyển gần hơn đến dải dẫn trong silicon loại n. Ở đây, số electron tự do tăng so với nồng độ electron nội tại. Mặt khác, số lỗ giảm so với nồng độ lỗ nội tại vì có nhiều khả năng tái hợp do nồng độ electron tự do cao hơn. Electron là hạt mang điện đa số.

Silicon ngoại lai với tạp chất pentavalent

Nếu một lượng nhỏ nguyên tố nhóm III được thêm vào tinh thể bán dẫn nội tại, thì chúng thay thế một nguyên tử silicon, các nguyên tố nhóm III như AI, B, IN có ba electron hóa trị. Ba electron này tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử lân cận tạo ra một lỗ. Các loại tạp chất nguyên tử này được gọi là chấp nhận. Bán dẫn được biết đến là bán dẫn loại p vì lỗ được coi là mang điện dương.

Silicon ngoại lai với tạp chất trivalent

Mức năng lượng Fermi trong bán dẫn loại p di chuyển gần hơn đến dải hóa trị. Số lỗ tăng, trong khi số electron giảm so với silicon nội tại. Trong bán dẫn loại p, lỗ là hạt mang điện đa số.

Nồng độ mang điện nội tại của Silicon

Khi một electron nhảy từ dải hóa trị sang dải dẫn do kích thích nhiệt, các hạt mang điện tự do được tạo ra trong cả hai dải, đó là electron trong dải dẫn và lỗ trong dải hóa trị. Nồng độ của các hạt mang điện này được gọi là nồng độ mang điện nội tại. Thực tế, trong tinh thể silicon tinh khiết hoặc nội tại, số lỗ (p) và electron (n) bằng nhau, và chúng bằng nồng độ mang điện nội tại ni. Do đó, n = p = ni

Số lượng các hạt mang điện này phụ thuộc vào năng lượng khoảng cách băng. Đối với silicon, năng lượng khoảng cách băng là 1.2 eV ở 298oK, nồng độ mang điện nội tại trong silicon tăng theo sự tăng của nhiệt độ. Nồng độ mang điện nội tại trong silicon được cho bởi,

Ở đây, T = nhiệt độ theo thang tuyệt đối

Nồng độ mang điện nội tại ở 300oK là 1.01 × 1010 cm-3. Nhưng giá trị được chấp nhận trước đây là 1.5 × 1010 cm-3.