Kaj je notranji polprevodnik in zunanji polprevodnik - energetski pas in doping?

Polprevodnik, kot že ime pove, je neke vrste material, ki kaže lastnosti prevodnikov in izolatorjev. Polprevodniški material potrebuje določeno raven napetosti ali toplote, da sprosti svoje nosilce za prevodnost. Ti polprevodniki so glede na število nosilcev razvrščeni kot „notranji“ in „zunanji“. Notranji nosilec je najčistejša oblika polprevodnika in enako število elektronov (negativni nosilci naboja) in lukenj (pozitivni nosilci naboja). Najpogosteje uporabljeni polprevodniški materiali so silicij (Si), germanij (Ge) in galijev arsenid (GaAs). Preučimo značilnosti in vedenje teh vrst polprevodnikov. Kaj je notranji polprevodnik? Notranji polprevodnik lahko opredelimo kot kemično čist material, ne da bi mu dodali doping ali nečistoče. Najpogostejša razpoložljiva notranja in čista polprevodnika sta silicij (Si) in germanij (Ge). Obnašanje polprevodnika pri uporabi določene napetosti je odvisno od njegove atomske strukture. Najbolj zunanja lupina silicija in germanija ima po štiri elektrone. Za stabiliziranje drug drugega v bližini atomi tvorijo kovalentne vezi, ki temeljijo na delitvi valenčnih elektronov. Ta vezava v kristalno mrežasti strukturi silicija je prikazana na sliki 1. Tu je razvidno, da valenčni elektroni dveh atomov para Si skupaj tvorijo kovalentno vez. Slika 1. Kovalentna vez silicijevega atoma Vse kovalentne vezi so stabilne in nosilci za prevodnost niso na voljo. Tu se notranji polprevodnik obnaša kot izolator ali neprevodnik. Če se temperatura okolice približa sobni temperaturi, se kovalentne vezi začnejo lomiti. Tako se elektroni iz valentne lupine sprostijo, da sodelujejo pri prevodnosti. Ker se sprošča več prevodnikov, se polprevodnik začne obnašati kot prevodni material. Spodnji diagram energijskega pasu pojasnjuje ta prehod nosilcev iz valentnega pasu v prevodni pas. Diagram energijskega pasu Diagram energijskega pasu, prikazan na sliki 2 (a), prikazuje dve ravni, prevodni pas in valenčni pas. Prostor med obema pasovoma se imenuje prepovedana vrzel Slika 2 (a). Diagram energijskega pasu Slika Slika 2 (b). Elektroni prevodnosti in valenčnega pasu v polprevodniku Ko je polprevodniški material izpostavljen toploti ali napetosti, se nekaj kovalentnih vezi zlomi, kar ustvari proste elektrone, kot je prikazano na sliki 2 (b). Ti prosti elektroni se vzbudijo in pridobijo energijo, da premagajo prepovedano vrzel in vstopijo v prevodni pas iz valenčnega pasu. Ko elektron zapusti valenčni pas, za seboj pusti luknjo. V notranjem polprevodniku se vedno ustvari enako število elektronov in lukenj, zato ima električno nevtralnost. Elektroni in luknje so odgovorni za prevod toka v notranjem polprevodniku. Kaj je zunanji polprevodnik? Zunanji polprevodnik je opredeljen kot material z dodano nečistočo ali dopiranim polprevodnikom. Doping je postopek namernega dodajanja nečistoč za povečanje števila nosilcev. Uporabljene nečistoče imenujemo dopant. Ker je v zunanjem prevodniku število elektronov in lukenj večje, kaže večjo prevodnost kot notranji polprevodniki. Na podlagi uporabljenih dopantov so zunanji polprevodniki nadalje razvrščeni kot "polprevodnik tipa N" in "polprevodnik tipa P." Polprevodniki tipa N. Polprevodniki tipa N so dopirani s petvalentnimi nečistočami. Peterovalentni elementi se imenujejo tako, da imajo v svoji valenčni lupini 5 elektronov. Primeri petovalentne nečistoče so fosfor (P), arzen (As), antimon (Sb). Kot je prikazano na sliki 3, dopantni atom vzpostavi kovalentne vezi z delitvijo štirih svojih valenčnih elektronov s štirimi sosednjimi atomi silicija. Peti elektron ostane ohlapno vezan na jedro legiranega atoma. Za sprostitev petega elektrona, tako da zapusti valenčni pas in vstopi v prevodni pas, je potrebno zelo manj energije ionizacije. Petevalentna nečistoča daje še en elektron v mrežasto strukturo in se zato imenuje nečistoča donor.Slika 3. Polprevodnik tipa N z donorsko nečistoto Polprevodniki tipa P: Polprevodniki tipa P so dopirani s trivalentnim polprevodnikom. Trivalentne nečistoče imajo v svoji valenčni lupini 3 elektrone. Primeri trovalentnih nečistoč vključujejo bor (B), galij (G), indij (In), aluminij (Al). Kot je prikazano na sliki 4, dopantni atom vzpostavi kovalentne vezi samo s tremi sosednjimi atomi silicija in v vezi s četrtim atomom silicija nastane luknja ali prazno mesto. Luknja deluje kot pozitiven nosilec ali prostor, ki ga elektron lahko zasede. Tako je trivalentna nečistota prinesla pozitivno prosto mesto ali luknjo, ki lahko zlahka sprejme elektrone, zato se imenuje nečistoča sprejemnika.  Slika 4. Polprevodnik tipa P z akceptorsko nečistočo Koncentracija nosilca v notranjem polprevodniku Notranja koncentracija nosilca je opredeljena kot število elektronov na enoto prostornine v prevodnem pasu ali število lukenj na enoto prostornine v valentnem pasu. Zaradi uporabljene napetosti elektron zapusti valenčni pas in na svojem mestu ustvari pozitivno luknjo. Ta elektron nadalje vstopi v prevodni pas in sodeluje pri prevodnosti toka. V lastnem polprevodniku so elektroni, ustvarjeni v prevodnem pasu, enaki številu lukenj v valentnem pasu. Zato je koncentracija elektronov (n) enaka koncentraciji luknje (p) v notranjem polprevodniku. Koncentracijo lastnega nosilca lahko podamo kot: n_i = n = p Kjer, n_i: koncentracija lastnega nosilca n: koncentracija nosilca elektrona p: luknja -koncentracija nosilca Prevodnost notranjega polprevodnika Ko je notranji polprevodnik izpostavljen toploti ali uporabljeni napetosti, elektroni potujejo iz valenčnega pasu v prevodni pas in pustijo pozitivno luknjo ali prazno mesto v valentnem pasu. Spet te luknje zapolnijo drugi elektroni, saj se pretrga več kovalentnih vezi. Tako elektroni in luknje potujejo v nasprotni smeri in notranji polprevodnik začne prevoditi. Ko se kovalentne vezi pretrgajo, se prevodnost poveča, zaradi česar se sprosti več elektronov. Prevodnost notranjega polprevodnika je izražena v smislu mobilnosti in koncentracije nosilcev naboja. Izraz prevodnosti notranjega polprevodnika je izražen kot: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Kjer je σ_i: prevodnost lastnega polprevodnik n_i: koncentracija notranjega nosilca μ_e: mobilnost elektronov μ_h: gibljivost lukenj Prosimo, da na tej povezavi izvedete več o polprevodniških teorijah MCQ

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo