Τι είναι ο εγγενής ημιαγωγός και ο εξωγενής ημιαγωγός - Energy Band & Doping;

Ο ημιαγωγός, όπως υποδηλώνει το όνομα είναι ένα είδος υλικού που παρουσιάζει ιδιότητες τόσο των αγωγών όσο και των μονωτών. Ένα ημιαγωγικό υλικό απαιτεί ένα ορισμένο επίπεδο τάσης ή θερμότητας για να απελευθερώσει τους φορείς του για αγωγιμότητα. Αυτοί οι ημιαγωγοί ταξινομούνται ως «εσωτερικοί» και «εξωγενείς» με βάση τον αριθμό των φορέων. Ο εγγενής φορέας είναι η καθαρότερη μορφή ημιαγωγού και ίσος αριθμός ηλεκτρονίων (φορείς αρνητικού φορτίου) και οπών (φορείς θετικού φορτίου). Τα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι το πυρίτιο (Si), το γερμάνιο (Ge) και το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs). Ας μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά και τη συμπεριφορά αυτών των τύπων ημιαγωγών. Τι είναι ένας εγγενής ημιαγωγός; Ο ενδογενής ημιαγωγός μπορεί να οριστεί ως χημικά καθαρό υλικό χωρίς να προστίθεται καθόλου ντόπινγκ ή ακαθαρσίες. Οι πιο γνωστοί εγγενείς ή καθαροί ημιαγωγοί που διατίθενται είναι το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Η συμπεριφορά του ημιαγωγού κατά την εφαρμογή μιας συγκεκριμένης τάσης εξαρτάται από την ατομική του δομή. Το εξωτερικό περίβλημα και του πυριτίου και του γερμανίου έχει τέσσερα ηλεκτρόνια το καθένα. Για να σταθεροποιηθούν το ένα το άλλο, τα κοντινά άτομα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με βάση την κοινή χρήση ηλεκτρονίων σθένους. Αυτός ο δεσμός στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος του πυριτίου απεικονίζεται στο σχήμα 1. Εδώ μπορεί να φανεί ότι τα ηλεκτρόνια σθένους δύο ζευγών ατόμων Si συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν ομοιοπολικό δεσμό. Εικόνα 1. Ομοιοπολικός δεσμός του ατόμου πυριτίου Όλοι οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι σταθεροί και δεν υπάρχουν διαθέσιμοι φορείς για αγωγή. Εδώ ο εγγενής ημιαγωγός συμπεριφέρεται ως μονωτής ή μη αγωγός. Τώρα, αν η θερμοκρασία περιβάλλοντος πλησιάσει τη θερμοκρασία δωματίου, οι ομοιοπολικοί δεσμοί αρχίζουν να σπάνε. Έτσι τα ηλεκτρόνια από το κέλυφος σθένους απελευθερώνονται για να λάβουν μέρος στην αγωγή. Καθώς απελευθερώνεται περισσότερος αριθμός φορέων για αγωγή, ο ημιαγωγός αρχίζει να συμπεριφέρεται ως αγώγιμο υλικό. Το διάγραμμα ζώνης ενέργειας που δίνεται παρακάτω εξηγεί αυτή τη μετάβαση των φορέων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Ο χώρος μεταξύ των δύο ζωνών ονομάζεται απαγορευμένο κενό Εικόνα 2 (α). Διάγραμμα ενεργειακής ζώνης Σχήμα Εικόνα 2(β). Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και ζώνης σθένους σε έναν ημιαγωγό Όταν ένα υλικό ημιαγωγών υποβάλλεται σε θερμότητα ή σε εφαρμοζόμενη τάση, λίγοι από τους ομοιοπολικούς δεσμούς σπάνε, γεγονός που δημιουργεί ελεύθερα ηλεκτρόνια όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (β). Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια διεγείρονται και αποκτούν ενέργεια για να ξεπεράσουν το απαγορευμένο χάσμα και να εισέλθουν στη ζώνη αγωγιμότητας από τη ζώνη σθένους. Καθώς το ηλεκτρόνιο φεύγει από τη ζώνη σθένους, αφήνει πίσω του μια τρύπα στη ζώνη σθένους. Σε έναν εγγενή ημιαγωγό θα δημιουργείται πάντα ίσος αριθμός ηλεκτρονίων και οπών και ως εκ τούτου παρουσιάζει ηλεκτρική ουδετερότητα. Τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές είναι υπεύθυνα για τη αγωγή του ρεύματος στον εσωτερικό ημιαγωγό. Τι είναι ο εξωτερικός ημιαγωγός; Ο εξωτερικός ημιαγωγός ορίζεται ως το υλικό με πρόσθετη ακαθαρσία ή πρόσμιξη ημιαγωγού. Το ντόπινγκ είναι η διαδικασία σκόπιμης προσθήκης ακαθαρσιών για να αυξηθεί ο αριθμός των φορέων. Τα στοιχεία ακαθαρσίας που χρησιμοποιούνται ονομάζονται προσμίξεις. Καθώς ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των οπών είναι μεγαλύτερος στον εξωτερικό αγωγό, εμφανίζει μεγαλύτερη αγωγιμότητα από τους εσωτερικούς ημιαγωγούς. Βάσει των προσμείξεων που χρησιμοποιούνται, οι εξωγενείς ημιαγωγοί ταξινομούνται περαιτέρω ως «ημιαγωγοί τύπου Ν» και «ημιαγωγοί τύπου Ρ». Ημιαγωγοί τύπου Ν: Οι ημιαγωγοί τύπου Ν είναι επικαλυμμένοι με πεντασθενείς ακαθαρσίες. Τα πεντασθενή στοιχεία ονομάζονται έτσι καθώς έχουν 5 ηλεκτρόνια στο περίβλημα σθένους τους. Τα παραδείγματα πεντασθενούς ακαθαρσίας είναι ο Φώσφορος (P), το Αρσενικό (As), το Αντιμόνιο (Sb). Όπως απεικονίζεται στο σχήμα 3, το προσβεβλημένο άτομο δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς μοιράζοντας τέσσερα από τα ηλεκτρόνια σθένους του με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο παραμένει χαλαρά συνδεδεμένο με τον πυρήνα του ατόμου που κολλάει. Απαιτείται πολύ λιγότερη ενέργεια ιοντισμού για να ελευθερωθεί το πέμπτο ηλεκτρόνιο έτσι ώστε να φύγει από τη ζώνη σθένους και να εισέλθει στη ζώνη αγωγιμότητας. Η πεντασθενής ακαθαρσία προσδίδει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο στη δομή του πλέγματος και ως εκ τούτου ονομάζεται ακαθαρσία Δότη.Σχήμα 3. Ημιαγωγός τύπου Ν με ακαθαρσία δότη Ημιαγωγοί τύπου Ρ: Οι ημιαγωγοί τύπου Ρ είναι εμποτισμένοι με τον τρισθενή ημιαγωγό. Οι τρισθενείς ακαθαρσίες έχουν 3 ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους. Τα παραδείγματα τρισθενών ακαθαρσιών περιλαμβάνουν Βόριο (Β), Γάλλιο (G), Ίνδιο (In), Αλουμίνιο (Al). Όπως απεικονίζεται στο σχήμα 4, το προσκείμενο άτομο δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς μόνο με τρία γειτονικά άτομα πυριτίου και δημιουργείται μια οπή ή κενό στον δεσμό με το τέταρτο άτομο πυριτίου. Η οπή λειτουργεί ως θετικός φορέας ή χώρος για να καταλάβει το ηλεκτρόνιο. Έτσι η τρισθενής ακαθαρσία έχει προσδώσει ένα θετικό κενό ή οπή που μπορεί να δεχτεί εύκολα ηλεκτρόνια και ως εκ τούτου ονομάζεται ακαθαρσία Δέκτη.  Σχήμα 4. Ημιαγωγός τύπου P με ακαθαρσίες δέκτη Συγκέντρωση φορέα στον εσωτερικό ημιαγωγόΗ εγγενής συγκέντρωση φέροντος ορίζεται ως ο αριθμός ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου στη ζώνη αγωγιμότητας ή ο αριθμός των οπών ανά μονάδα όγκου στη ζώνη σθένους. Λόγω της εφαρμοζόμενης τάσης, το ηλεκτρόνιο φεύγει από τη ζώνη σθένους και δημιουργεί μια θετική οπή στη θέση του. Αυτό το ηλεκτρόνιο εισέρχεται περαιτέρω στη ζώνη αγωγιμότητας και συμμετέχει στην αγωγή του ρεύματος. Σε έναν εγγενή ημιαγωγό, τα ηλεκτρόνια που παράγονται στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ίσα με τον αριθμό των οπών στη ζώνη σθένους. Επομένως η συγκέντρωση ηλεκτρονίων (n) είναι ίση με τη συγκέντρωση οπής (p) σε έναν εγγενή ημιαγωγό. Η ενδογενής συγκέντρωση φορέα μπορεί να δοθεί ως:n_i=n=p Όπου,n_i : ενδογενής συγκέντρωση φορέα n : συγκέντρωση ηλεκτρονίου-φορέα p : οπή -Συγκέντρωση φορέα Αγωγιμότητα του εγγενούς ημιαγωγού Καθώς ο εγγενής ημιαγωγός υπόκειται σε θερμότητα ή εφαρμοζόμενη τάση, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν από ζώνη σθένους σε ζώνη αγωγιμότητας και αφήνουν μια θετική οπή ή κενό στη ζώνη σθένους. Και πάλι αυτές οι οπές γεμίζονται από άλλα ηλεκτρόνια καθώς σπάνε περισσότεροι ομοιοπολικοί δεσμοί. Έτσι τα ηλεκτρόνια και οι οπές ταξιδεύουν προς την αντίθετη κατεύθυνση και ο εγγενής ημιαγωγός αρχίζει να αγώγει. Η αγωγιμότητα αυξάνεται όταν ένας αριθμός ομοιοπολικών δεσμών σπάει και έτσι περισσότερα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται για αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα ενός εγγενούς ημιαγωγού εκφράζεται με όρους κινητικότητας και συγκέντρωσης των φορέων φορτίου. Η έκφραση για την αγωγιμότητα ενός εγγενούς ημιαγωγού εκφράζεται ως:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Όπου σ_i: αγωγιμότητα ενός εγγενούς ημιαγωγός n_i : ενδογενής συγκέντρωση φορέα μ_e: κινητικότητα ηλεκτρονίων μ_h: κινητικότητα οπών Ανατρέξτε σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα MCQ της Θεωρίας Ημιαγωγών

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων