Hva er Intrinsic Semiconductor and Extrinsic Semiconductor - Energy Band & Doping?

Halvleder, som navnet antyder, er et slags materiale hvis egenskaper viser både ledere og isolatorer. Et halvledermateriale krever et visst spenningsnivå eller varme for å frigjøre bærerne for ledning. Disse halvlederne er klassifisert som 'iboende' og 'ekstrinsiske' basert på antall bærere. Den iboende bæreren er den reneste formen for halvleder og like mange elektroner (negative ladningsbærere) og hull (positive ladningsbærere). Halvledermaterialene som er mest utbredt er Silicon (Si), Germanium (Ge) og Gallium Arsenide (GaAs). La oss studere egenskapene og oppførselen til denne typen halvledere. Hva er en indre halvleder? Den indre halvlederen kan defineres som kjemisk rent materiale uten doping eller urenhet. De mest kjente iboende eller rene halvledere som er tilgjengelige er Silicon (Si) og Germanium (Ge). Halvlederens oppførsel ved påføring av en viss spenning er avhengig av atomstrukturen. Det ytterste skallet til både Silicon og Germanium har fire elektroner hver. For å stabilisere hverandre danner atomene i nærheten kovalente bindinger basert på deling av valenselektroner. Denne bindingen i krystallgitterstrukturen til Silicon er illustrert i figur 1. Her kan det sees at valenselektronene til to Si -atom pares sammen for å danne en kovalent binding. Figur 1. Kovalent binding av silisiumatomet Alle kovalente bindinger er stabile og ingen bærere er tilgjengelige for ledning. Her oppfører den iboende halvlederen seg som en isolator eller ikke-leder. Nå hvis omgivelsestemperaturen kommer nær romtemperaturen til de kovalente bindingene begynner å bryte. Dermed frigjøres elektronene fra valensskallet for å delta i ledning. Etter hvert som flere antall bærere frigjøres for ledning, begynner halvlederen å oppføre seg som et ledende materiale. Energibånddiagrammet gitt nedenfor forklarer denne overgangen til bærere fra valensbåndet til ledningsbåndet. Energibånddiagrammet Energibånddiagrammet vist i figur 2 (a) viser to nivåer, Conduction Band og Valence Band. Plassen mellom de to båndene kalles det forbudte gapet Figur 2 (a). Energibåndsdiagram Figur Figur 2 (b). Ledning og valensbåndelektroner i en halvleder Når et halvledermateriale utsettes for varme eller påført spenning, bryter få av de kovalente bindinger, noe som genererer frie elektroner som vist i figur 2 (b). Disse frie elektronene blir begeistret og får energi til å overvinne det forbudte gapet og komme inn i ledningsbåndet fra valensbåndet. Når elektronet forlater valensbånd, etterlater det et hull i valensbåndet. I en iboende halvleder vil det alltid opprettes et like stort antall elektroner og hull, og den viser derfor elektrisk nøytralitet. Både elektronene og hullene er ansvarlige for ledning av strøm i den indre halvlederen. Hva er en ekstern halvleder? Den ekstrinsiske halvlederen er definert som materialet med en tilsatt urenhet eller dopet halvleder. Doping er prosessen med bevisst å legge til urenheter for å øke antall bærere. Urenhetselementene som brukes kalles dopamenter. Siden antallet elektroner og hull er større i ekstrinsisk leder, viser den større ledningsevne enn iboende halvledere. Basert på dopantene som brukes, er de ekstrinsiske halvlederne videre klassifisert som 'halvleder av N-type' og 'halvleder av P-type. Halvledere av n-type: Halvledere av N-typen er dopet med femkvalente urenheter. De femverdige elementene kalles slik at de har 5 elektroner i valensskallet. Eksemplene på pentavalent urenhet er fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb). Som avbildet i figur 3, etablerer dopingatomet kovalente bindinger ved å dele fire av sine valenselektroner med fire nabosilisiumatomer. Det femte elektronet forblir løst bundet til kjernen i dopingatomet. Det kreves svært mindre ioniseringsenergi for å frigjøre det femte elektronet slik at det forlater valensbåndet og kommer inn i ledningsbåndet. Den pentavalente urenheten gir et ekstra elektron til gitterstrukturen, og derfor kalles den som donorforurensning.Figur 3. Halvleder av N-type med donorforurensning P-type Halvledere: Halvledere av P-type er dopet med den trivalente halvlederen. De treverdige urenhetene har 3 elektroner i valensskallet. Eksemplene på treverdig urenheter inkluderer Bor (B), Gallium (G), Indium (In), Aluminium (Al). Som vist på figur 4, etablerer dopingatomet kovalente bindinger med bare tre nabosilisiumatomer, og et hull eller tomrom genereres i bindingen med det fjerde silisiumatomet. Hullet fungerer som en positiv bærer eller plass for elektronen til å okkupere. Dermed har den treverdige urenheten gitt en positiv ledighet eller et hull som lett kan ta imot elektroner, og derfor kalles det en akseptor -urenhet.  Figur 4. Halvleder av type P med akseptorforurensning Bærekonsentrasjon i egen halvleder Den innebygde bærerkonsentrasjonen er definert som antall elektroner per volumenhet i ledningsbåndet eller antall hull per volumenhet i valensbåndet. På grunn av den påførte spenningen forlater elektronet valensbåndet og skaper et positivt hull på stedet. Dette elektronet kommer videre inn i ledningsbåndet og deltar i ledningen av strøm. I en iboende halvleder er elektronene som genereres i ledningsbåndet lik antall hull i valensbåndet. Derfor er elektronkonsentrasjonen (n) lik hullkonsentrasjonen (p) i en iboende halvleder. Intrinsisk bærerkonsentrasjon kan gis som: n_i = n = p Hvor, n_i: egen bærerkonsentrasjon n: elektron-bærerkonsentrasjon p: hull -bærerkonsentrasjon Ledningsevne for innebygd halvleder Da den indre halvlederen utsettes for varme eller påført spenning, beveger elektronene seg fra valensbånd til ledningsbånd og etterlater et positivt hull eller et ledig rom i valensbåndet. Igjen fylles disse hullene av andre elektroner ettersom mer kovalente bindinger brytes. Dermed beveger elektronene og hullene seg i motsatt retning, og den iboende halvlederen begynner å lede. Ledningsevnen øker når et antall kovalente bindinger brytes og derved blir flere elektroner hull som frigjøres for ledning. Ledningsevnen til en iboende halvleder uttrykkes i vilkårene for mobilitet og konsentrasjon av ladningsbærerne. Uttrykket for konduktiviteten til en iboende halvleder er gitt uttrykt som: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Hvor σ_i: ledningsevne til en indre halvleder n_i: egen bærerkonsentrasjon μ_e: mobilitet av elektroner μ_h: hull i mobilitet Se denne lenken for å vite mer om Semiconductor Theory MCQs

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste