Ce este semiconductorul intrinsec și semiconductorul extrinsec - banda energetică și dopajul?

Semiconductor, așa cum sugerează și numele, este un fel de material ale cărui proprietăți prezintă atât conductoare, cât și izolatoare. Un material semiconductor necesită un anumit nivel de tensiune sau căldură pentru a elibera purtătorii săi pentru conducere. Acești semiconductori sunt clasificați ca „intrinseci” și „extrinseci” pe baza numărului de purtători. Purtătorul intrinsec este cea mai pură formă de semiconductor și un număr egal de electroni (purtători de sarcină negativă) și găuri (purtători de sarcină pozitivă). Materialele semiconductoare cele mai folosite sunt siliciu (Si), germaniu (Ge) și arsenidă de galiu (GaAs). Să studiem caracteristicile și comportamentul acestor tipuri de semiconductori. Ce este un semiconductor intrinsec? Semiconductorul intrinsec poate fi definit ca material chimic pur fără a se adăuga la acesta dopaj sau impuritate. Cele mai cunoscute semiconductoare intrinseci sau pure disponibile sunt siliciu (Si) și germaniu (Ge). Comportamentul semiconductorului la aplicarea unei anumite tensiuni este dependent de structura sa atomică. Învelișul exterior al siliciului și al germaniei au fiecare patru electroni. Pentru a se stabiliza reciproc, atomii din apropiere formează legături covalente pe baza împărțirii electronilor de valență. Această legătură în structura de rețea cristalină a siliciului este ilustrată în figura 1. Aici se poate observa că electronii de valență ai doi atomi de Si se împerechează pentru a forma o legătură covalentă. Figura 1. Legarea covalentă a atomului de siliciu La toate legăturile covalente sunt stabile și nu sunt disponibili purtători pentru conducere. Aici semiconductorul intrinsec se comportă ca un izolator sau neconductor. Acum, dacă temperatura ambiantă se apropie de temperatura camerei legăturilor covalente începe să se rupă. Astfel, electronii din carcasa de valență sunt eliberați pentru a participa la conducere. Pe măsură ce mai mulți purtători sunt eliberați pentru conducere, semiconductorul începe să se comporte ca material conductor. Diagrama benzii de energie prezentată mai jos explică această tranziție a purtătorilor de la banda de valență la banda de conducție. Spațiul dintre cele două benzi se numește gol interzis Figura 2 (a). Diagrama benzii energetice Figura Figura 2 (b). Electronii de bandă de conducere și de valență într-un semiconductor Când un material semiconductor este supus căldurii sau tensiunii aplicate, câteva dintre legăturile covalente se rup, ceea ce generează electroni liberi, așa cum se arată în figura 2 (b). Acești electroni liberi se excită și câștigă energie pentru a depăși decalajul interzis și a intra în banda de conducere din banda de valență. Pe măsură ce electronul părăsește banda de valență, lasă în urmă o gaură în banda de valență. Într-un semiconductor intrinsec se va crea întotdeauna un număr egal de electroni și găuri și, prin urmare, prezintă neutralitate electrică. Atât electronii, cât și găurile sunt responsabile pentru conducerea curentului în semiconductorul intrinsec. Ce este un semiconductor extrinsec? Semiconductorul extrinsec este definit ca materialul cu o impuritate adăugată sau semiconductor dopat. Dopajul este procesul de adăugare deliberată a impurităților pentru a crește numărul de transportatori. Elementele de impuritate utilizate sunt denumite dopanți. Deoarece numărul de electroni și găuri este mai mare în conductorul extrinsec, acesta prezintă o conductivitate mai mare decât semiconductorii intrinseci. Pe baza dopanților utilizați, semiconductorii extrinseci sunt clasificați în continuare ca „semiconductori de tip N” și „semiconductori de tip P”. Semiconductori de tip N: Semiconductorii de tip N sunt dopați cu impurități pentavalente. Elementele pentavalente sunt numite astfel deoarece au 5 electroni în coaja lor de valență. Exemplele de impuritate pentavalentă sunt Fosfor (P), Arsenic (As), Antimoniu (Sb). Așa cum este prezentat în figura 3, atomul dopant stabilește legături covalente prin împărțirea a patru dintre electronii săi de valență cu patru atomi de siliciu vecini. Al cincilea electron rămâne legat slab de nucleul atomului dopant. Este necesară foarte puțină energie de ionizare pentru a elibera cel de-al cincilea electron, astfel încât să părăsească banda de valență și să intre în banda de conducție. Impuritatea pentavalentă conferă un electron suplimentar structurii rețelei și, prin urmare, este numit impuritatea donatorului.Figura 3. Semiconductori de tip N cu impuritate a donatorului Semiconductori de tip P: semiconductorii de tip P sunt dopați cu semiconductorul trivalent. Impuritățile trivalente au 3 electroni în coaja lor de valență. Exemplele de impurități trivalente includ bor (B), galiu (G), indiu (în), aluminiu (Al). Așa cum este prezentat în figura 4, atomul dopant stabilește legături covalente cu doar trei atomi de siliciu vecini și se generează o gaură sau un loc liber în legătura cu al patrulea atom de siliciu. Gaura acționează ca un purtător pozitiv sau un spațiu pe care îl poate ocupa electronul. Astfel, impuritatea trivalentă a conferit un loc liber sau o gaură pozitivă care poate accepta cu ușurință electroni și, prin urmare, este numită o impuritate a acceptorului.  Figura 4. Semiconductor de tip P cu impuritatea acceptorului Concentrația purtătorului în semiconductor intrinsec Concentrația purtătorului intrinsec este definită ca numărul de electroni pe unitate de volum în banda de conducție sau numărul de găuri pe unitate de volum în banda de valență. Datorită tensiunii aplicate, electronul părăsește banda de valență și creează o gaură pozitivă în locul său. Acest electron intră în continuare în banda de conducție și participă la conducerea curentului. Într-un semiconductor intrinsec, electronii generați în banda de conducție sunt egali cu numărul de găuri din banda de valență. Prin urmare, concentrația electronică (n) este egală cu concentrația orificiului (p) într-un semiconductor intrinsec. -concentrația purtătorului Conductivitatea semiconductorului intrinsec Deoarece semiconductorul intrinsec este supus căldurii sau tensiunii aplicate, electronii se deplasează de la banda de valență la banda de conducție și lasă o gaură pozitivă sau un loc liber în banda de valență. Din nou, aceste găuri sunt umplute de alți electroni pe măsură ce legături mai covalente sunt rupte. Astfel, electronii și găurile se deplasează în direcția opusă, iar semiconductorul intrinsec începe să conducă. Conductivitatea crește atunci când un număr de legături covalente sunt rupte, prin urmare mai mulți electroni sunt găuri pentru a fi conduse. Conductivitatea unui semiconductor intrinsec este exprimată în termeni de mobilitate și concentrație a purtătorilor de sarcină. Expresia pentru conductivitatea unui semiconductor intrinsec este dată astfel: semiconductor n_i: concentrația purtătorului intrinsec μ_e: mobilitatea electronilor μ_h: mobilitatea găurilor Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre MCQ-urile despre teoria semiconductorilor

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje