Kas yra vidinis puslaidininkis ir išorinis puslaidininkis - energijos juosta ir dopingas?

Puslaidininkis, kaip rodo pavadinimas, yra tam tikra medžiaga, rodanti tiek laidininkų, tiek izoliatorių savybes. Puslaidininkinei medžiagai reikalingas tam tikras įtampos arba šilumos lygis, kad jos nešikliai būtų išleisti laidumui. Šie puslaidininkiai skirstomi į „savuosius“ ir „išorinius“ pagal nešlių skaičių. Vidinis nešiklis yra gryniausia puslaidininkio forma ir vienodas skaičius elektronų (neigiamų krūvininkų) ir skylių (teigiamų krūvininkų). Dažniausiai naudojamos puslaidininkinės medžiagos yra silicis (Si), germanis (Ge) ir galio arsenidas (GaAs). Panagrinėkime šių puslaidininkių tipų charakteristikas ir elgseną. Kas yra vidinis puslaidininkis?Savąjį puslaidininkį galima apibrėžti kaip chemiškai gryną medžiagą, į kurią nepridėta jokio legiravimo ar priemaišų. Dažniausiai žinomi vidiniai arba gryni puslaidininkiai yra silicis (Si) ir germanis (Ge). Puslaidininkio elgsena veikiant tam tikrai įtampai priklauso nuo jo atominės struktūros. Išorinis silicio ir germanio apvalkalas turi po keturis elektronus. Norėdami stabilizuoti vienas kitą, šalia esantys atomai sudaro kovalentines jungtis, pagrįstas valentinių elektronų pasidalijimu. Šis ryšys silicio kristalinės gardelės struktūroje parodytas 1 paveiksle. Čia matyti, kad dviejų Si atomų valentinių elektronų poros sudaro kovalentinį ryšį. 1 pav. Kovalentinis silicio atomo ryšys Visi kovalentiniai ryšiai yra stabilūs ir laidumui nėra nešėjų. Čia vidinis puslaidininkis elgiasi kaip izoliatorius arba nelaidininkas. Dabar, jei aplinkos temperatūra priartėja prie kambario temperatūros, kovalentiniai ryšiai pradeda nutrūkti. Taigi elektronai iš valentinio apvalkalo išleidžiami dalyvauti laidyje. Kai laidumui išleidžiama daugiau nešiklių, puslaidininkis pradeda elgtis kaip laidžioji medžiaga. Žemiau pateikta energijos juostų diagrama paaiškina šį nešėjų perėjimą iš valentinės juostos į laidumo juostą. Energijos juostos diagrama Energijos juostos diagrama, parodyta 2(a) paveiksle, vaizduoja du lygius: laidumo juostą ir valentinę juostą. Tarpas tarp dviejų juostų vadinamas uždraustuoju tarpu 2 paveikslas (a). Energijos juostos diagrama pav 2 paveikslas (b). Laidumo ir valentinės juostos elektronai puslaidininkyje Kai puslaidininkinė medžiaga yra veikiama karščio ar įtampos, kai kurios kovalentinės jungtys nutrūksta, o tai sukuria laisvus elektronus, kaip parodyta 2 (b) paveiksle. Šie laisvieji elektronai susijaudina ir įgauna energijos, kad įveiktų draudžiamą spragą ir patektų į laidumo juostą iš valentinės juostos. Kai elektronas palieka valentinę juostą, jis palieka skylę valentinėje juostoje. Vidiniame puslaidininkyje visada bus sukurtas vienodas skaičius elektronų ir skylių, taigi jis turi elektrinį neutralumą. Ir elektronai, ir skylės yra atsakingi už srovės laidumą vidiniame puslaidininkyje. Kas yra išorinis puslaidininkis? Išorinis puslaidininkis apibrėžiamas kaip medžiaga su priemaišomis arba legiruotu puslaidininkiu. Dopingas yra sąmoningas priemaišų pridėjimo procesas, siekiant padidinti nešiotojų skaičių. Naudojami priemaišų elementai vadinami priemaišomis. Kadangi išorinio laidininko elektronų ir skylių skaičius yra didesnis, jis turi didesnį laidumą nei vidiniai puslaidininkiai. Remiantis naudojamais priedais, išoriniai puslaidininkiai toliau skirstomi į „N tipo puslaidininkius“ ir „P tipo puslaidininkius“. N tipo puslaidininkiai: N tipo puslaidininkiai yra legiruoti penkiavalentėmis priemaišomis. Penkialentiniai elementai vadinami taip, kad jų valentiniame apvalkale yra 5 elektronai. Penkialentės priemaišos pavyzdžiai yra fosforas (P), arsenas (As), stibis (Sb). Kaip parodyta 3 paveiksle, priedo atomas užmezga kovalentinius ryšius, pasidalydamas keturiais savo valentiniais elektronais su keturiais gretimais silicio atomais. Penktasis elektronas lieka laisvai surištas su priedo atomo branduoliu. Norint išlaisvinti penktąjį elektroną, kad jis išeitų iš valentinės juostos ir patektų į laidumo juostą, reikia labai mažiau jonizacijos energijos. Penkialentė priemaiša gardelės struktūrai suteikia vieną papildomą elektroną, todėl ji vadinama donoro priemaiša.3 pav. N tipo puslaidininkis su donorine priemaišaP tipo puslaidininkiai: P tipo puslaidininkiai yra legiruoti trivalenčiu puslaidininkiu. Trivalenčių priemaišų valentiniame apvalkale yra 3 elektronai. Trivalenčių priemaišų pavyzdžiai yra boras (B), galis (G), indis (in), aliuminis (Al). Kaip parodyta 4 paveiksle, priedo atomas užmezga kovalentinius ryšius tik su trimis gretimais silicio atomais, o ryšyje su ketvirtuoju silicio atomu susidaro skylė arba laisva vieta. Skylė veikia kaip teigiamas nešiklis arba erdvė elektronui užimti. Taigi trivalentė priemaiša suteikė teigiamą laisvą vietą arba skylę, kuri gali lengvai priimti elektronus, todėl ji vadinama akceptoriaus priemaiša.  4 pav. P tipo puslaidininkis su akceptoriaus priemaiša Nešiklio koncentracija vidiniame puslaidininkyjeVidinė nešiklio koncentracija apibrėžiama kaip elektronų skaičius tūrio vienete laidumo juostoje arba skylių skaičius tūrio vienete valentinėje juostoje. Dėl įtampos elektronas palieka valentinę juostą ir sukuria teigiamą skylę. Šis elektronas toliau patenka į laidumo juostą ir dalyvauja laidumu srovei. Vidiniame puslaidininkyje laidumo juostoje generuojami elektronai yra lygūs valentinės juostos skylių skaičiui. Todėl elektronų koncentracija (n) yra lygi skylės koncentracijai (p) vidiniame puslaidininkyje. Vidinio nešiklio koncentracija gali būti pateikta taip: n_i=n=p Kur,n_i : vidinio nešiklio koncentracija n : elektronų nešiklio koncentracija p : skylė Nešiklio koncentracija Vidinio puslaidininkio laidumasKadangi vidinis puslaidininkis yra veikiamas šilumos arba įtampa, elektronai keliauja iš valentinės juostos į laidumo juostą ir valentinėje juostoje palieka teigiamą skylę arba laisvą vietą. Šias skyles vėl užpildo kiti elektronai, nes nutrūksta daugiau kovalentinių ryšių. Taigi elektronai ir skylės keliauja priešinga kryptimi, o vidinis puslaidininkis pradeda laiduoti. Laidumas padidėja, kai nutrūksta daugybė kovalentinių ryšių, todėl daugiau elektronų išsiskiria laidumui skirtų skylių. Vidinio puslaidininkio laidumas išreiškiamas krūvininkų judrumo ir koncentracijos terminais. Vidinio puslaidininkio laidumo išraiška išreiškiama taip: σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Kur σ_i: vidinio puslaidininkio laidumas puslaidininkis n_i: vidinė nešiklio koncentracija μ_e: elektronų mobilumas μ_h: skylių judrumas Norėdami sužinoti daugiau apie puslaidininkių teorijos MCQ, skaitykite šią nuorodą

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas