Što je unutrašnji poluvodič i vanjski poluvodič - energetski pojas i doping?

Poluvodiči, kao što ime govori, vrsta su materijala čija su svojstva i vodiča i izolatora. Poluvodički materijal zahtijeva određenu razinu napona ili topline za oslobađanje svojih nosača za provođenje. Ovi su poluvodiči klasificirani kao 'unutarnji' i 'vanjski' na temelju broja nosača. Unutarnji nosač najčišći je oblik poluvodiča i jednak broj elektrona (negativni nositelji naboja) i rupa (pozitivni nositelji naboja). Najviše korišteni poluvodički materijali su silicij (Si), germanij (Ge) i galijev arsenid (GaAs). Proučimo karakteristike i ponašanje ovih vrsta poluvodiča. Što je to svojstveni poluvodič? Unutrašnji poluvodič može se definirati kao kemijski čist materijal bez dodavanja bilo kakvog dopinga ili nečistoće. Najčešće poznati unutarnji ili čisti poluvodiči dostupni su silicij (Si) i germanij (Ge). Ponašanje poluvodiča pri primjeni određenog napona ovisi o njegovoj atomskoj strukturi. Najudaljenija ljuska silicija i germanija ima po četiri elektrona. Radi međusobne stabilizacije atomi u blizini tvore kovalentne veze na temelju dijeljenja valentnih elektrona. Ovo povezivanje u strukturi kristalne rešetke Silicija prikazano je na slici 1. Ovdje se može vidjeti da valentni elektroni dva para atoma Si zajedno tvore kovalentnu vezu. Slika 1. Kovalentno vezivanje atoma silicijaSve kovalentne veze su stabilne i nema nosilaca za provođenje. Ovdje se svojstveni poluvodič ponaša kao izolator ili neprovodnik. Sada, ako se temperatura okoline približi sobnoj temperaturi, kovalentne veze počnu pucati. Tako se elektroni iz valentne ljuske oslobađaju kako bi sudjelovali u provođenju. Što se veći broj nosača oslobađa za provođenje, poluvodič se počinje ponašati kao vodljivi materijal. Dijagram energetskog pojasa dat u nastavku objašnjava ovaj prijelaz nosača iz valentnog u vodljivi pojas. Dijagram energetskog pojasa Dijagram energetskog pojasa prikazan na slici 2 (a) prikazuje dvije razine, Conduction Band i Valence Band. Prostor između dva pojasa naziva se zabranjeni razmak Slika 2 (a). Dijagram energetskog pojasa Slika Slika 2 (b). Elektroni vodljivosti i valentnog pojasa u poluvodiču Kada je poluvodički materijal izložen toplini ili primijenjenom naponu, nekoliko kovalentnih veza pukne, što stvara slobodne elektrone kako je prikazano na slici 2 (b). Ti se slobodni elektroni uzbuđuju i dobivaju energiju kako bi prevladali zabranjeni jaz i iz valentnog pojasa ušli u zonu vodljivosti. Kako elektron napušta valentni pojas, ostavlja iza sebe rupu u valentnom pojasu. U unutarnjem poluvodiču uvijek će se stvoriti jednak broj elektrona i rupa pa stoga pokazuje električnu neutralnost. Elektroni i rupe odgovorni su za provođenje struje u vlastitom poluvodiču. Što je vanjski poluvodič? Vanjski poluvodič definiran je kao materijal s dodatkom nečistoće ili dopiranim poluvodičem. Doping je proces namjernog dodavanja nečistoća kako bi se povećao broj prijenosnika. Upotrijebljeni nečistoći nazivaju se dodacima. Kako je broj elektrona i rupa veći u vanjskim vodičima, on pokazuje veću vodljivost od unutarnjih poluvodiča. Na temelju korištenih dodataka, vanjski poluvodiči dalje se klasificiraju kao 'poluvodiči N-tipa' i 'poluvodiči P-tipa'. Poluvodiči N-tipa: Poluvodiči N-tipa dopirani su petovalentnim nečistoćama. Peterovalentni elementi nazivaju se tako da u svojoj valentnoj ljusci imaju 5 elektrona. Primjeri petovalentne nečistoće su fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb). Kao što je prikazano na slici 3, atom dopanta uspostavlja kovalentne veze dijeleći četiri svoja valentna elektrona s četiri susjedna atoma silicija. Peti elektron ostaje labavo vezan za jezgru atoma dopanta. Za oslobađanje petog elektrona potrebno je vrlo malo energije ionizacije kako bi napustio valentni pojas i ušao u vodljivi pojas. Petovalentna nečistoća daje jedan dodatni elektron u rešetkastu strukturu pa se stoga naziva donorska nečistoća.Slika 3. N-tip poluvodiča s donorskom nečistoćom Poluvodiči P-tipa: Poluvodiči P-tipa dopirani su trovalentnim poluvodičem. Trovalentne nečistoće imaju 3 elektrona u svojoj valentnoj ljusci. Primjeri trovalentnih nečistoća uključuju bor (B), galij (G), indij (In), aluminij (Al). Kao što je prikazano na slici 4, atom nečistoće uspostavlja kovalentne veze sa samo tri susjedna atoma silicija te se u vezi s četvrtim atomom silicija stvara rupa ili prazno mjesto. Rupa djeluje kao pozitivni nosač ili prostor za zauzimanje elektrona. Tako je trovalentna nečistoća dala pozitivnu prazninu ili rupu koja može lako prihvatiti elektrone pa se stoga naziva nečistoća akceptora.  Slika 4. Poluvodič P-tipa s akceptorskom nečistoćom Koncentracija nositelja u unutarnjem poluvodičuUnutarnja koncentracija nositelja definirana je kao broj elektrona po jedinici volumena u zoni vodljivosti ili broj rupa po jedinici volumena u valentnom pojasu. Zbog primijenjenog napona, elektron napušta valentni pojas i stvara pozitivnu rupu na svom mjestu. Ovaj elektron dalje ulazi u pojas provođenja i sudjeluje u provođenju struje. U vlastitom poluvodiču elektroni generirani u zoni vodljivosti jednaki su broju rupa u valentnom pojasu. Stoga je koncentracija elektrona (n) jednaka koncentraciji rupe (p) u vlastitom poluvodiču. Koncentracija unutarnjeg nosača može se dati kao: n_i = n = p Gdje je, n_i: koncentracija unutarnjeg nosača n: koncentracija elektronskog nosača p: rupa -koncentracija nositelja Provodljivost unutarnjeg poluvodičaKako je unutarnji poluvodič izložen toplini ili primijenjenom naponu, elektroni putuju iz valentnog područja u vodljivo područje i ostavljaju pozitivnu rupu ili mjesto u valentnom području. Opet ove rupe ispunjavaju drugi elektroni jer se više kovalentnih veza prekida. Tako elektroni i rupe putuju u suprotnom smjeru, a unutarnji poluvodič počinje provoditi. Vodljivost se povećava kada se razbije veći broj kovalentnih veza, pa se više elektrona otpušta za provođenje. Vodljivost vlastitog poluvodiča izražena je u smislu pokretljivosti i koncentracije nosilaca naboja. Izraz za vodljivost unutarnjeg poluvodiča dan je izražen kao: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Gdje je σ_i: vodljivost unutarnjeg poluvodič n_i: unutarnja koncentracija nosača μ_e: mobilnost elektrona μ_h: pokretljivost rupa Molimo vas da pogledate ovu vezu kako biste saznali više o MCQ -ovima teorije poluvodiča

Ostavite poruku 

Lista Poruka