Mikä on luontainen puolijohde ja ulkoinen puolijohde - energiakaista ja doping?

Puolijohde, kuten nimestä voi päätellä, on eräänlainen materiaali, joka osoittaa sekä johtimien että eristimien ominaisuuksia. Puolijohdemateriaali vaatii tietyn jännitteen tai lämmön vapauttaakseen kantajansa johtamiseen. Nämä puolijohteet luokitellaan "sisäisiksi" ja "ulkoisiksi" kantoaaltojen määrän perusteella. Luontainen kantaja on puhtain puolijohdemuoto ja yhtä monta elektronia (negatiiviset varauskantajat) ja reiät (positiiviset varauskantajat). Eniten käytettyjä puolijohdemateriaaleja ovat pii (Si), germaani (Ge) ja gallium -arsenidi (GaAs). Tarkastellaanpa tämän tyyppisten puolijohteiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä. Mikä on luontainen puolijohde? Yleisimmin saatavilla olevia sisäisiä tai puhtaita puolijohteita ovat pii (Si) ja germaani (Ge). Puolijohteen käyttäytyminen tietyn jännitteen syöttämisessä riippuu sen atomirakenteesta. Sekä piin että germaanin ulkokuorissa on neljä elektronia. Toistensa vakauttamiseksi läheiset atomit muodostavat kovalenttisia sidoksia valenssielektronien jakamisen perusteella. Tämä sidos piin kiderakenteessa on esitetty kuviossa 1. Tässä voidaan nähdä, että kahden Si -atomin valenssielektronit muodostavat parin yhdessä muodostaen kovalenttisen sidoksen. Kuva 1. Piin atomin kovalenttinen sitoutuminen Kaikilla kovalenttisilla sidoksilla on vakautta eikä kantajia ole saatavilla johtamiseen. Tässä luontainen puolijohde toimii eristeenä tai ei-johtimena. Jos ympäristön lämpötila on lähellä huoneenlämpötilaa, kovalenttisten sidosten hajoaminen alkaa. Näin valenssikuoren elektronit vapautuvat osallistumaan johtamiseen. Kun enemmän kantoaaltoja vapautetaan johtamiseen, puolijohde alkaa käyttäytyä johtavana materiaalina. Alla annettu energiakaavio kuvaa tämän kantoaaltojen siirtymisen valenssikaistalta johtavuuskaistalle. Kahden kaistan välistä tilaa kutsutaan kielletyksi rakoksi Kuva 2 (a). Energiakaistakaavio Kuva Kuva 2 (b). Johtavuus- ja valenssikaista -elektronit puolijohteessa Kun puolijohdemateriaali altistuu lämmölle tai jännitteelle, harvat kovalenttisista sidoksista katkeavat, mikä tuottaa vapaita elektroneja, kuten kuvassa 2 (b) on esitetty. Nämä vapaat elektronit kiihtyvät ja saavat energiaa voittaakseen kielletyn raon ja päästäkseen johtavuuskaistalle valenssikaistalta. Kun elektroni lähtee valenssikaistalta, se jättää reiän valenssikaistalle. Luonnollisessa puolijohteessa syntyy aina sama määrä elektroneja ja reikiä, joten sillä on sähköinen neutraalisuus. Sekä elektronit että reiät ovat vastuussa virran johtamisesta luontaisessa puolijohteessa. Mikä on ulkoinen puolijohde? Doping on prosessi, jossa lisätään tarkoituksellisesti epäpuhtauksia kantajien määrän lisäämiseksi. Käytettyjä epäpuhtauselementtejä kutsutaan lisäaineiksi. Koska elektronien ja reikien määrä on suurempi ulkoisessa johtimessa, sillä on suurempi johtavuus kuin sisäisillä puolijohteilla. Käytettyjen lisäaineiden perusteella ulkoiset puolijohteet luokitellaan edelleen '' N-tyypin puolijohteiksi '' ja '' P-tyypin puolijohteiksi ''. Pentavalentteja elementtejä kutsutaan niin, että niiden valenssikuorissa on 5 elektronia. Esimerkkejä viisiarvoisesta epäpuhtaudesta ovat fosfori (P), arseeni (As), antimoni (Sb). Kuten kuviossa 3 on esitetty, lisäaine -atomi muodostaa kovalenttiset sidokset jakamalla neljä valenssielektroniaan neljän viereisen piiatomin kanssa. Viides elektroni on löysästi sidottu lisäaineen atomiin. Hyvin vähemmän ionisaatioenergiaa tarvitaan viidennen elektronin vapauttamiseksi niin, että se poistuu valenssikaistalta ja tulee johtavuuskaistalle. Viisinarvoinen epäpuhtaus antaa hilarakenteelle yhden ylimääräisen elektronin, ja siksi sitä kutsutaan luovuttajan epäpuhtaudeksi.Kuva 3. N-tyypin puolijohde, jossa on luovuttaja-epäpuhtautta P-tyypin puolijohteet: P-tyypin puolijohteet seostetaan kolmiarvoisella puolijohteella. Kolmiarvoisissa epäpuhtauksissa on 3 elektronia valenssikuorissaan. Esimerkkejä kolmiarvoisista epäpuhtauksista ovat boori (B), gallium (G), indium (In), alumiini (Al). Kuten kuviossa 4 on esitetty, lisäaine -atomi muodostaa kovalenttiset sidokset vain kolmen viereisen piiatomin kanssa ja neljänteen piiatomiin sidoksessa syntyy reikä tai tyhjä tila. Reikä toimii positiivisena kantajana tai tilana elektronille miehittää. Siten kolmiarvoinen epäpuhtaus on antanut positiivisen tyhjän paikan tai reiän, joka voi helposti vastaanottaa elektroneja, ja siksi sitä kutsutaan hyväksyjä -epäpuhtaudeksi.  Kuva 4. P-tyyppinen puolijohde, jossa on hyväksyjä-epäpuhtaus Kantoaineen pitoisuus luontaisessa puolijohteessa Luontainen kantoaineen pitoisuus määritellään johtimien kaistan elektronien määräksi tilavuusyksikköä kohti tai valenssikaistan reikien määräksi tilavuusyksikköä kohti. Käytetyn jännitteen vuoksi elektroni poistuu valenssikaistalta ja luo positiivisen reiän paikalleen. Tämä elektroni tulee edelleen johtuskaistalle ja osallistuu virran johtamiseen. Luontaisessa puolijohteessa johtumiskaistalla syntyvät elektronit ovat yhtä suuret kuin valenssikaistan reikien lukumäärä. Siksi elektronipitoisuus (n) on yhtä suuri kuin reiän konsentraatio (p) luontaisessa puolijohteessa. -kantoaineen konsentraatio Luontaisen puolijohteen johtavuus Koska sisäinen puolijohde altistuu lämmölle tai jännitteelle, elektronit kulkevat valenssikaistalta johtavuuskaistalle ja jättävät positiivisen reiän tai tyhjän paikan valenssikaistalle. Jälleen nämä elektronit täyttävät nämä reiät, kun kovalenttisia sidoksia katkeaa enemmän. Siten elektronit ja reiät kulkevat vastakkaiseen suuntaan ja luontainen puolijohde alkaa johtaa. Johtavuus kasvaa, kun useita kovalenttisia sidoksia katkeaa, jolloin enemmän elektroneja vapautuu reikiä johtamiseksi. Luontaisen puolijohteen johtokyky ilmaistaan ​​varauskantajien liikkuvuudessa ja pitoisuudessa. Sisäisen puolijohteen johtavuuden ilmaisu ilmaistaan ​​seuraavasti: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Missä σ_i: ominaisjohtavuus puolijohde n_i: luontainen kantajapitoisuus μ_e: elektronien liikkuvuus μ_h: reikien liikkuvuus Katso tästä linkistä lisätietoja puolijohdeteorian MCQ: sta

Jätä viesti 

viestiluettelo