Mikä on N-tyyppinen semimetal?

Mikä on N-tyyppinen semimetaali?

N-tyyppisen semimetaalin määritelmä

N-tyyppinen semimetaali on sellainen semimetaali, johon on lisätty viisivaltisiimpureeja, jotka lisäävät sen johtavuutta vapaiden elektronien lisäämiseksi.

Ennen kuin ymmärrämme, mikä n-tyyppinen semimetaali on, meidän pitäisi keskittyä perusatomifysiikkaan. Atomeilla on tavoitteenaan kahdeksan ulkoisen kiertoradan sähkönta, niin kutsuttuja valenssieliktoneita. Kaikki atomit eivät saavuta tätä, mutta ne kaikki pyrkivät tähän vakaiseen konfiguraatioon.

Atomin ulkoisen kiertoradan sähkönta kutsutaan valenssieliktoneiksi. Jos atomin ulkoisella kiertoradalla ei ole kahdeksaa sähkönta, silloin on niin monta tyhjyyttä kuin sähkönten puutetta kiertoradalla. Nämä tyhjyydet ovat aina valmiina hyväksymään sähköntä täyttääkseen kahdeksan sähkönta atomin ulkoiselle kiertoradalle.

Yleisimmin käytetyt semimetaalit ovat piis ja germanium. Piissa on 14 sähkönta, jotka on järjestetty 2, 8, 4, kun taas germaniumissa on 32 sähkönta, jotka on järjestetty 2, 8, 18, 4. Molemmilla semimetaaleilla on neljä sähkönta niiden ulkoisella kiertoradalla, jättäen tyhjiöksi neljä lisäsähkönta.

Jokainen neljästä valenssieliktoneista piissä tai germaniumissa muodostaa kovalenttisen sidoksen naapuriatomeihin, täyttäen tyhjiöt. Idealisesti kaikki valenssieliktoneet semimetaalin kristallissa ovat mukana kovalenttisissa sidoksissa, joten kristallissa ei pitäisi olla vapaana olevia sähkönta.

Mutta tämä ei ole todellisuus. Absoluuttisessa nollapisteessä eli 0o Kelvinissa kristallissa ei olisi vapaana olevia sähkönta, mutta kun lämpötila nousee absoluuttisesta nollapisteestä huoneen lämpötilaan, lukuisia valenssieliktoneita sidoksissa herätetään lämpöenergian vaikutuksesta ja ne irtoavat sidoksesta luoden vapaana olevia sähkönta kristallissa. Nämä vapaana olevat sähkönta aiheuttavat semimetaalien johtavuuden minkä tahansa korkeamman lämpötilan kohdalla kuin absoluuttinen nollapiste.

On olemassa tapaa lisätä semimetaalien johtavuutta minkä tahansa korkeamman lämpötilan kohdalla kuin absoluuttinen nollapiste. Tämä menetelmä kutsutaan doppaukseksi. Tässä menetelmässä puhtaaseen tai intrinsiiseen semimetaaliin lisätään viisivaltisia impuriteetteja, kuten antimon, arseeni ja fosfori. Nämä impuriteettiatomiukset korvaavat osan semimetaaliatomeista kristallisessa rakenteessa ja asettuvat niiden paikoille. Koska impuriteettiatomitillä on viisi valenssieliktontaa ulkoisella kiertoradalla, neljä niistä luo kovalenttisen sidoksen neljän naapurisemimetaaliatomin kanssa.

Yksi impuriteettiatomin valenssieliktontaa ei saa mahdollisuutta osallistua kovalenttiseen sidontaan ja se tulee vapaammaksi kytkettyä vanhemman impuriteettiatomin kanssa. Huoneen lämpötilassa nämä vapaammin kiinnitetty viides valenssieliktonta voivat irrotua paikastaan lämpöenergian vaikutuksesta.

Tämän ilmiön vuoksi kristallissa tulee olemaan huomattava määrä vapaana olevia sähkönta, mutta edelleen on kovalenttisten sidosten rikkoutumisia kristallisessa rakenteessa huoneen lämpötilan vaikutuksesta. Vapaana olevat sähkönta lisäksi vapaana oleviin sähköntoihin, jotka syntyvät semimetaali-semimetaali- ja semimetaali-impuriteetti-kovalenttisten sidosten rikkoutumisen vuoksi, aiheuttavat kristallissa olevien vapaana olevien sähköntojen kokonaismäärän.

Vaikka joka kerta, kun vapaana oleva sähkönta syntyy semimetaali-semimetaali-kovalenttisen sidoksen rikkoutumisen myötä, syntyy tyhjiö rikkoutuneessa sidoksessa. Nämä tyhjiöt kutsutaan reikiäksi. Jokainen näistä reikistä pidetään positiivisena vastineena negatiiviselle sähköntalle, koska se syntyy yhden sähkönta puutteen vuoksi. Tässä sähkönta ovat pääasialliset liikkuvat varauskantajat. N-tyyppisessä semimetaalissa on sekä vapaana olevia sähkönta että reikiä.

Mutta reikien määrä on huomattavasti pienempi kuin sähköntojen määrä, koska reikit syntyvät vain semimetaali-semimetaali-kovalenttisen sidoksen rikkoutumisen vuoksi, kun taas vapaana olevat sähkönta syntyvät sekä löysästi kiinnitetystä epäsidotusta viidennestä valenssieliktontaa impuriteettiatomeista että semimetaali-semimetaali-kovalenttisten sidosten rikkoutumisen vuoksi.

Siksi vapaana olevien sähköntojen määrä >> reikien määrä n-tyyppisessä semimetaalissa. Siksi vapaana olevia sähkönta kutsutaan enemmistövarauskantajiksi, ja reikiä vähemmistövarauskantajiksi n-tyyppisessä semimetaalissa. Koska negatiivisesti varautuneet sähkönta osallistuvat pääasiassa varauksen siirtymiseen tämän semimetaalin kautta, sitä kutsutaan negatiiviseksi tyypiksi tai n-tyyppiseksi semimetaaliksi. Vaikka kristallissa on paljon vapaana olevia sähkönta, se on silti sähköisesti neutraali, koska protonien kokonaismäärä ja sähköntojen kokonaismäärä ovat yhtä suuret.