Что такое внутренний полупроводник и внешний полупроводник - энергетический диапазон и допинг?

Полупроводник, как следует из названия, представляет собой материал, который проявляет свойства как проводников, так и изоляторов. Полупроводниковому материалу требуется определенный уровень напряжения или тепла, чтобы высвободить носители для проводимости. Эти полупроводники классифицируются как «внутренние» и «внешние» в зависимости от количества носителей. Собственный носитель - это чистейшая форма полупроводника и равное количество электронов (отрицательных носителей заряда) и дырок (положительных носителей заряда). Наиболее широко используемыми полупроводниковыми материалами являются кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Давайте изучим характеристики и поведение этих типов полупроводников. Что такое собственный полупроводник? Собственный полупроводник можно определить как химически чистый материал без каких-либо добавок или примесей. Наиболее известными доступными собственными или чистыми полупроводниками являются кремний (Si) и германий (Ge). Поведение полупроводника при приложении определенного напряжения зависит от его атомной структуры. Внешняя оболочка кремния и германия имеет по четыре электрона. Чтобы стабилизировать друг друга, близлежащие атомы образуют ковалентные связи, основанные на обмене валентных электронов. Эта связь в структуре кристаллической решетки кремния проиллюстрирована на рисунке 1. Здесь можно увидеть, что валентные электроны двух пар атомов Si вместе образуют ковалентную связь. Рисунок 1. Ковалентная связь атома кремния Все ковалентные связи стабильны, и нет доступных носителей для проводимости. Здесь собственный полупроводник ведет себя как изолятор или непроводник. Теперь, если температура окружающей среды приближается к комнатной температуре, ковалентные связи начинают разрушаться. Таким образом, электроны из валентной оболочки высвобождаются для участия в проводимости. По мере того, как большее количество носителей высвобождается для проводимости, полупроводник начинает вести себя как проводящий материал. Диаграмма энергетической зоны, приведенная ниже, объясняет этот переход носителей из валентной зоны в зону проводимости. Диаграмма энергетической зоны Диаграмма энергетической зоны, показанная на рисунке 2 (а), изображает два уровня, зону проводимости и валентную зону. Пространство между двумя зонами называется запрещенной зоной. Рисунок 2 (а). Диаграмма энергетического диапазона Рисунок Рисунок 2 (б). Электроны зоны проводимости и валентной зоны в полупроводнике. Когда полупроводниковый материал подвергается воздействию тепла или приложенного напряжения, некоторые ковалентные связи разрываются, что генерирует свободные электроны, как показано на рисунке 2 (b). Эти свободные электроны возбуждаются и получают энергию, чтобы преодолеть запрещенную зону и попасть в зону проводимости из валентной зоны. Когда электрон покидает валентную зону, он оставляет дыру в валентной зоне. В собственном полупроводнике всегда создается равное количество электронов и дырок, и, следовательно, он проявляет электрическую нейтральность. И электроны, и дырки ответственны за проводимость тока в собственном полупроводнике. Что такое внешний полупроводник? Внешний полупроводник определяется как материал с добавленной примесью или легированный полупроводник. Допинг - это процесс преднамеренного добавления примесей для увеличения количества носителей. Используемые примесные элементы называются легирующими добавками. Поскольку количество электронов и дырок больше во внешнем проводнике, он демонстрирует большую проводимость, чем собственные полупроводники. В зависимости от используемых примесей, примесные полупроводники далее классифицируются как «полупроводники N-типа» и «полупроводники P-типа». Полупроводники N-типа: Полупроводники N-типа легированы пятивалентными примесями. Пятивалентные элементы называются так, потому что в их валентной оболочке 5 электронов. Примерами пятивалентных примесей являются фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb). Как показано на рисунке 3, атом примеси устанавливает ковалентные связи, разделяя четыре своих валентных электрона с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон остается слабо связанным с ядром атома примеси. Чтобы освободить пятый электрон, чтобы он покинул валентную зону и попал в зону проводимости, требуется гораздо меньше энергии ионизации. Пятивалентная примесь привносит один дополнительный электрон в структуру решетки и, следовательно, называется донорной примесью.Рисунок 3. Полупроводник N-типа с донорной примесью Полупроводники P-типа: Полупроводники P-типа легированы трехвалентным полупроводником. Трехвалентные примеси имеют 3 электрона в валентной оболочке. Примеры трехвалентных примесей включают бор (B), галлий (G), индий (In), алюминий (Al). Как показано на рисунке 4, атом примеси устанавливает ковалентные связи только с тремя соседними атомами кремния, а дырка или вакансия генерируется в связи с четвертым атомом кремния. Дырка действует как положительный переносчик или пространство, которое занимает электрон. Таким образом, трехвалентная примесь создала положительную вакансию или дырку, которая может легко принимать электроны, и поэтому она называется акцепторной примесью.  Рисунок 4. Полупроводник P-типа с акцепторной примесью. Концентрация носителей в собственном полупроводнике. Собственная концентрация носителей определяется как количество электронов на единицу объема в зоне проводимости или количество дырок на единицу объема в валентной зоне. Под действием приложенного напряжения электрон покидает валентную зону и создает на ее месте положительную дырку. Этот электрон далее попадает в зону проводимости и участвует в проводимости тока. В собственном полупроводнике количество электронов, генерируемых в зоне проводимости, равно количеству дырок в валентной зоне. Следовательно, концентрация электронов (n) равна концентрации дырок (p) в собственном полупроводнике. Собственная концентрация носителей может быть задана как: n_i = n = p Где, n_i: собственная концентрация носителей; n: концентрация электронных носителей; p: дырка. -концентрация носителей. Проводимость собственного полупроводника. Поскольку собственный полупроводник подвергается воздействию тепла или приложенного напряжения, электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости и оставляют положительную дырку или вакансию в валентной зоне. Эти дыры снова заполняются другими электронами по мере разрыва ковалентных связей. Таким образом, электроны и дырки движутся в противоположном направлении, и собственный полупроводник начинает проводить. Проводимость увеличивается, когда ряд ковалентных связей разрывается, в результате чего больше электронов, дырок, высвобождается для проводимости. Проводимость собственного полупроводника выражается через подвижность и концентрацию носителей заряда. Выражение для проводимости собственного полупроводника выражается как: σ_i = n_i e (μ_e + μ_h), где σ_i: проводимость собственного полупроводника. полупроводник n_i: собственная концентрация носителей μ_e: подвижность электронов μ_h: подвижность дырок Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ теории полупроводников

Оставить сообщение 

Список сообщений