Що таке внутрішній напівпровідник і зовнішній напівпровідник – енергетичний діапазон і допінг?

Напівпровідник, як випливає з назви, є різновидом матеріалу, який демонструє властивості як провідників, так і ізоляторів. Напівпровідниковий матеріал вимагає певного рівня напруги або тепла, щоб звільнити свої носії для проведення. Ці напівпровідники класифікуються як "внутрішні" та "зовнішні" залежно від кількості носіїв. Внутрішній носій є найчистішою формою напівпровідника та рівною кількістю електронів (негативних носіїв заряду) та дірок (позитивних носіїв заряду). Найбільш глибоко використовуваними напівпровідниковими матеріалами є кремній (Si), германій (Ge) та арсенід галію (GaAs). Давайте вивчимо характеристики та поведінку цих типів напівпровідників. Що таке внутрішній напівпровідник? Внутрішній напівпровідник можна визначити як хімічно чистий матеріал без будь -якого допірування або домішок. Найбільш відомі наявні внутрішні або чисті напівпровідники - це кремній (Si) та германій (Ge). Поведінка напівпровідника при подачі певної напруги залежить від його атомної будови. Найбільш зовнішня оболонка кремнію і германію має по чотири електрони. Для стабілізації один одного поблизу атоми утворюють ковалентні зв'язки на основі спільного використання валентних електронів. Ця зв'язок у структурі кристалічної решітки Кремнію проілюстрована на малюнку 1. Тут можна побачити, що валентні електрони двох пар атомів Si разом утворюють ковалентний зв'язок. Малюнок 1. Ковалентні зв’язки атома кремнію У всіх ковалентних зв’язках стабільні і носії для провідності відсутні. Тут внутрішній напівпровідник поводиться як ізолятор або непровідник. Тепер, якщо температура навколишнього середовища наближається до кімнатної температури, ковалентні зв’язки починають руйнуватися. Таким чином, електрони з валентної оболонки звільняються для участі в провідності. У міру вивільнення більшої кількості носіїв для провідності напівпровідник починає поводитися як провідний матеріал. Наведена нижче діаграма енергетичних зон пояснює цей перехід носіїв з валентної зони в зону провідності. Простір між двома смугами називається забороненою щілиною Малюнок 2 (а). Діаграма діапазону енергії Малюнок Малюнок 2 (b). Електрони провідності та валентності в напівпровіднику Коли напівпровідниковий матеріал піддається нагріванню або прикладеній напрузі, декілька ковалентних зв’язків розриваються, що генерує вільні електрони, як показано на малюнку 2 (b). Ці вільні електрони збуджуються і набирають енергію, щоб подолати заборонену щілину і потрапити в зону провідності з валентної зони. Коли електрон виходить з валентної зони, він залишає за собою дірку у валентній зоні. У внутрішньому напівпровіднику завжди буде створюватися однакова кількість електронів і дірок, а отже, він проявляє електричну нейтральність. Електрони та дірки відповідають за проходження струму у внутрішньому напівпровіднику. Що таке зовнішній напівпровідник? Зовнішній напівпровідник визначається як матеріал з доданою домішкою або легований напівпровідник. Допінг - це процес навмисного додавання домішок для збільшення кількості носіїв. Використовувані домішкові елементи називаються легуючими добавками. Оскільки кількість електронів і дірок у зовнішньому провіднику більша, він виявляє більшу провідність, ніж внутрішні напівпровідники. На основі використаних домішок зовнішні напівпровідники додатково класифікуються як "напівпровідники N-типу" та "напівпровідники P-типу". Напівпровідники N-типу: напівпровідники N-типу леговані п’ятивалентними домішками. П'ятивалентні елементи називаються так, оскільки вони мають 5 електронів у своїй валентній оболонці. Прикладами п’ятивалентних домішок є фосфор (P), миш’як (As), сурма (Sb). Як зображено на малюнку 3, атом легуючої речовини встановлює ковалентні зв’язки, поділяючи чотири свої валентні електрони з чотирма сусідніми атомами кремнію. П'ятий електрон залишається слабко пов'язаним з ядром атома легуючої речовини. Для звільнення п’ятого електрона так, щоб він покинув валентну зону і потрапив у зону провідності, потрібно значно менше енергії іонізації. П'ятивалентна домішка надає структурі решітки один додатковий електрон, і тому її називають донорною домішкою.Малюнок 3. Напівпровідник N-типу з донорною домішкою Напівпровідники P-типу: Напівпровідники P-типу леговані тривалентним напівпровідником. У валентній оболонці тривалентних домішок є 3 електрони. Приклади тривалентних домішок включають бор (В), галій (G), індій (In), алюміній (Al). Як зображено на малюнку 4, атом легуючої речовини встановлює ковалентні зв’язки лише з трьома сусідніми атомами кремнію, і в зв’язку з четвертим атомом кремнію утворюється дірка або вакансія. Дірка діє як позитивний носій або простір для зайняття електрона. Таким чином, тривалентна домішка надала позитивну вакансію або дірку, яка може легко приймати електрони, і тому її називають домішкою -акцептором.  Малюнок 4. Напівпровідник типу Р з домішкою-акцептором Концентрація носія у внутрішньому напівпровіднику Внутрішня концентрація носія визначається як кількість електронів на одиницю об’єму в зоні провідності або кількість дірок на одиницю об’єму у валентній зоні. Внаслідок прикладеної напруги електрон залишає валентну зону і створює на своєму місці позитивну дірку. Далі цей електрон потрапляє в зону провідності і бере участь у проведенні струму. У внутрішньому напівпровіднику електрони, що генеруються в зоні провідності, дорівнюють кількості дірок у валентній зоні. Тому концентрація електронів (n) дорівнює концентрації дірок (p) у внутрішньому напівпровіднику. Внутрішню концентрацію носія можна подати як: n_i = n = p Де, n_i: концентрація власного носія n: концентрація носія електрона p: дірка -концентрація носія Провідність власного напівпровідника Оскільки внутрішній напівпровідник піддається нагріванню або прикладеній напрузі, електрони рухаються від валентної зони до зони провідності і залишають позитивний отвір або вакансію у валентній зоні. Знову ці дірки заповнюються іншими електронами у міру розриву більш ковалентних зв'язків. Таким чином, електрони і дірки рухаються у протилежному напрямку, і внутрішній напівпровідник починає проводити. Провідність зростає, коли порушується ряд ковалентних зв'язків, отже, для провідності вивільняється більше електронів. Провідність власного напівпровідника виражається в термінах рухливості та концентрації носіїв заряду. Вираз для провідності власного напівпровідника подається так: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Де σ_i: провідність власного напівпровідник n_i: внутрішня концентрація носія μ_e: рухливість електронів μ_h: рухливість дірок

Залишити повідомлення 

список повідомлень