Co to jest półprzewodnik samoistny i półprzewodnik zewnętrzny – pasmo energetyczne i doping?

Półprzewodnik, jak sama nazwa wskazuje, to rodzaj materiału, który wykazuje właściwości zarówno przewodników, jak i izolatorów. Materiał półprzewodnikowy wymaga pewnego poziomu napięcia lub ciepła, aby uwolnić swoje nośniki do przewodzenia. Te półprzewodniki są klasyfikowane jako „wewnętrzne” i „zewnętrzne” na podstawie liczby nośników. Nośnik wewnętrzny jest najczystszą formą półprzewodnika i taką samą liczbą elektronów (ujemne nośniki ładunku) i dziur (dodatnie nośniki ładunku). Najszerzej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są krzem (Si), german (Ge) i arsenek galu (GaAs). Przestudiujmy cechy i zachowanie tego typu półprzewodników. Co to jest półprzewodnik samoistny? Półprzewodnik samoistny można zdefiniować jako materiał chemicznie czysty bez domieszek lub zanieczyszczeń. Najbardziej znanymi dostępnymi półprzewodnikami samoistnymi lub czystymi są krzem (Si) i german (Ge). Zachowanie się półprzewodnika po przyłożeniu określonego napięcia zależy od jego budowy atomowej. Najbardziej zewnętrzna powłoka zarówno krzemu, jak i germanu ma po cztery elektrony. Aby ustabilizować się nawzajem, pobliskie atomy tworzą wiązania kowalencyjne oparte na współdzieleniu elektronów walencyjnych. To wiązanie w strukturze sieci krystalicznej krzemu jest zilustrowane na rysunku 1. Widać tutaj, że elektrony walencyjne dwóch atomów Si tworzą razem wiązanie kowalencyjne. Rysunek 1. Wiązanie kowalencyjne atomu krzemu Wszystkie wiązania kowalencyjne są stabilne i nie są dostępne żadne nośniki do przewodzenia. Tutaj samoistny półprzewodnik zachowuje się jak izolator lub nieprzewodnik. Teraz, jeśli temperatura otoczenia zbliża się do temperatury pokojowej, wiązania kowalencyjne zaczynają pękać. W ten sposób elektrony z powłoki walencyjnej są uwalniane i biorą udział w przewodzeniu. W miarę uwalniania większej liczby nośników do przewodzenia, półprzewodnik zaczyna zachowywać się jak materiał przewodzący. Diagram pasm energii podany poniżej wyjaśnia to przejście nośników z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Diagram pasm energii Diagram pasm energii przedstawiony na rysunku 2(a) przedstawia dwa poziomy, pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne. Przestrzeń między dwoma pasmami nazywa się zakazaną przerwą Rysunek 2 (a). Wykres pasma energii Rysunek Rysunek 2(b). Przewodzenie i elektrony z pasma walencyjnego w półprzewodniku Gdy materiał półprzewodnikowy jest poddawany działaniu ciepła lub przyłożonego napięcia, kilka wiązań kowalencyjnych pęka, co generuje swobodne elektrony, jak pokazano na rysunku 2 (b). Te wolne elektrony ulegają wzbudzeniu i zyskują energię, aby pokonać zakazaną lukę i wejść do pasma przewodnictwa z pasma walencyjnego. Gdy elektron opuszcza pasmo walencyjne, pozostawia dziurę w paśmie walencyjnym. W samoistnym półprzewodniku zawsze powstanie jednakowa liczba elektronów i dziur, a zatem wykazuje on obojętność elektryczną. Zarówno elektrony, jak i dziury są odpowiedzialne za przewodzenie prądu w półprzewodniku samoistnym. Co to jest półprzewodnik zewnętrzny? Półprzewodnik zewnętrzny jest definiowany jako materiał z domieszką lub półprzewodnik domieszkowany. Doping to proces celowego dodawania zanieczyszczeń w celu zwiększenia liczby nosicieli. Użyte pierwiastki zanieczyszczające określane są jako domieszki. Ponieważ liczba elektronów i dziur jest większa w przewodniku zewnętrznym, wykazuje on większą przewodność niż półprzewodniki samoistne. Na podstawie zastosowanych domieszek, zewnętrzne półprzewodniki są dalej klasyfikowane jako „półprzewodniki typu N” i „półprzewodniki typu P”. Półprzewodniki typu N: Półprzewodniki typu N są domieszkowane pięciowartościowymi domieszkami. Pierwiastki pięciowartościowe są nazywane tak, ponieważ mają 5 elektronów w swojej powłoce walencyjnej. Przykładami zanieczyszczenia pięciowartościowego są fosfor (P), arsen (As), antymon (Sb). Jak pokazano na rysunku 3, atom domieszki tworzy wiązania kowalencyjne, dzieląc cztery swoje elektrony walencyjne z czterema sąsiednimi atomami krzemu. Piąty elektron pozostaje luźno związany z jądrem atomu domieszki. Do uwolnienia piątego elektronu, który opuszcza pasmo walencyjne i wchodzi do pasma przewodnictwa, potrzeba bardzo mniej energii jonizacji. Zanieczyszczenie pięciowartościowe przekazuje jeden dodatkowy elektron do struktury sieciowej i dlatego nazywa się je zanieczyszczeniem Donor.Rysunek 3. Półprzewodnik typu N z domieszką donorową. Półprzewodniki typu P:Półprzewodniki typu P są domieszkowane półprzewodnikiem trójwartościowym. Domieszki trójwartościowe mają 3 elektrony w powłoce walencyjnej. Przykłady zanieczyszczeń trójwartościowych obejmują bor (B), gal (G), ind (In), glin (Al). Jak pokazano na rysunku 4, atom domieszki tworzy wiązania kowalencyjne tylko z trzema sąsiednimi atomami krzemu, aw wiązaniu z czwartym atomem krzemu powstaje dziura lub wakat. Dziura działa jako dodatni nośnik lub przestrzeń, którą ma zająć elektron. W ten sposób trójwartościowe zanieczyszczenie nadało pozytywną lukę lub dziurę, która może łatwo przyjmować elektrony i dlatego nazywana jest zanieczyszczeniem akceptorowym.  Rysunek 4. Półprzewodnik typu P z domieszką akceptorową Stężenie nośnika w samoistnym półprzewodniku Wewnętrzne stężenie nośnika definiuje się jako liczbę elektronów na jednostkę objętości w paśmie przewodnictwa lub liczbę otworów na jednostkę objętości w paśmie walencyjnym. Pod wpływem przyłożonego napięcia elektron opuszcza pasmo walencyjne i tworzy w jego miejscu dodatnią dziurę. Elektron ten wchodzi dalej w pasmo przewodnictwa i bierze udział w przewodzeniu prądu. W półprzewodniku samoistnym elektrony generowane w paśmie przewodnictwa są równe liczbie dziur w paśmie walencyjnym. Zatem stężenie elektronów (n) jest równe stężeniu dziury (p) w samoistnym półprzewodniku. Stężenie samoistne nośników można podać jako: n_i=n=p Gdzie,n_i : samoistne stężenie nośników n : stężenie nośników elektronów p : dziura -stężenie nośne Przewodnictwo samoistnego półprzewodnika Ponieważ samoistny półprzewodnik jest poddawany działaniu ciepła lub przyłożonego napięcia, elektrony przemieszczają się od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i pozostawiają dodatnią dziurę lub wakat w paśmie walencyjnym. Ponownie te dziury są wypełniane przez inne elektrony, gdy więcej wiązań kowalencyjnych zostaje zerwanych. W ten sposób elektrony i dziury przemieszczają się w przeciwnym kierunku, a samoistny półprzewodnik zaczyna przewodzić. Przewodność wzrasta, gdy pewna liczba wiązań kowalencyjnych zostaje zerwana, przez co więcej elektronów z dziurami zostaje uwolnionych do przewodzenia. Przewodnictwo samoistne półprzewodnika wyraża się w kategoriach ruchliwości i koncentracji nośników ładunku. Wyrażenie na przewodnictwo samoistnego półprzewodnika wyraża się jako: σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Gdzie σ_i: przewodność samoistna półprzewodnik n_i : wewnętrzne stężenie nośnika μ_e: mobilność elektronów μ_h: mobilność dziurAby dowiedzieć się więcej o MCQ w teorii półprzewodników, skorzystaj z tego linku

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów