Čo je to vnútorný polovodič a vonkajší polovodič – energetické pásmo a doping?

Polovodič, ako naznačuje názov, je druh materiálu, ktorý vykazuje vlastnosti vodičov aj izolátorov. Polovodičový materiál potrebuje na uvoľnenie svojich nosičov na vedenie určitú úroveň napätia alebo tepla. Tieto polovodiče sú klasifikované ako „vnútorné“ a „vonkajšie“ na základe počtu nosičov. Vnútorný nosič je najčistejšia forma polovodiča a rovnaký počet elektrónov (nosičov záporného náboja) a dier (kladných nosičov náboja). Najpoužívanejšími polovodičovými materiálmi sú kremík (Si), germánium (Ge) a arzenid gália (GaAs). Poďme študovať vlastnosti a správanie týchto typov polovodičov. Čo je vlastný polovodič? Vlastný polovodič možno definovať ako chemicky čistý materiál bez pridania dopingu alebo nečistôt. Najbežnejšie známymi vlastnými alebo čistými polovodičmi sú kremík (Si) a Germanium (Ge). Správanie polovodiča pri aplikácii určitého napätia závisí od jeho atómovej štruktúry. Vonkajší obal kremíka a germánia má po štyri elektróny. Na stabilizáciu navzájom vytvárajú blízke atómy kovalentné väzby založené na zdieľaní valenčných elektrónov. Táto väzba v kryštálovej mriežkovej štruktúre kremíka je znázornená na obrázku 1. Tu je vidieť, že valenčné elektróny dvoch párov atómov Si spolu tvoria kovalentnú väzbu. Obrázok 1. Kovalentná väzba atómu kremíkaVšetky kovalentné väzby sú stabilné a nie sú k dispozícii žiadne nosiče na vedenie. Vlastný polovodič sa tu správa ako izolátor alebo nevodič. Ak sa teplota okolia blíži izbovej teplote kovalentných väzieb, začnú sa lámať. Elektróny z valenčného obalu sa teda uvoľňujú, aby sa zúčastnili vedenia. Keď sa na vedenie uvoľní viac nosičov, polovodič sa začne správať ako vodivý materiál. Nasledujúci diagram energetického pásma vysvetľuje tento prechod nosičov z valenčného pásma do vodivého pásma. Diagram energetického pásma Diagram energetického pásma znázornený na obrázku 2 (a) zobrazuje dve úrovne, vodivé pásmo a valenčné pásmo. Priestor medzi týmito dvoma pásmami sa nazýva zakázaná medzera Obrázok 2 (a). Diagram energetického pásma Obrázok Obrázok 2 (b). Elektróny vodivosti a valenčného pásma v polovodiči Keď je polovodičový materiál vystavený teplu alebo použitému napätiu, zlomí sa niekoľko kovalentných väzieb, ktoré generujú voľné elektróny, ako je znázornené na obrázku 2 (b). Tieto voľné elektróny sa vzrušujú a získavajú energiu na prekonanie zakázanej medzery a vstup do vodivého pásma z valenčného pásma. Keď elektrón opustí valenčný pás, zanechá za sebou dieru vo valenčnom páse. Vo vnútornom polovodiči sa vždy vytvorí rovnaký počet elektrónov a dier, a preto vykazuje elektrickú neutralitu. Elektróny aj otvory sú zodpovedné za vedenie prúdu vo vnútornom polovodiči. Čo je to vonkajší polovodič? Vonkajší polovodič je definovaný ako materiál s pridanou nečistotou alebo dopovaným polovodičom. Doping je proces úmyselného pridávania nečistôt s cieľom zvýšiť počet nosičov. Použité prvky nečistôt sa označujú ako dopanty. Pretože počet elektrónov a dier je vo vonkajšom vodiči vyšší, vykazuje väčšiu vodivosť ako vnútorné polovodiče. Na základe použitých dopantov sú vonkajšie polovodiče ďalej klasifikované ako „polovodič typu N“ a „polovodič typu P“. Polovodiče typu N: Polovodiče typu N sú dopované päťmocnými nečistotami. Pentavalentné prvky sa nazývajú tak, že majú vo valenčnom obale 5 elektrónov. Príklady päťmocných nečistôt sú fosfor (P), arzén (As), antimón (Sb). Ako je znázornené na obrázku 3, atóm dopantu vytvára kovalentné väzby zdieľaním štyroch svojich valenčných elektrónov so štyrmi susednými atómami kremíka. Piaty elektrón zostáva voľne viazaný na jadro atómu dopantu. Na uvoľnenie piateho elektrónu je potrebných oveľa menej ionizačnej energie, aby opustil valenčný pás a vstúpil do vodivého pásma. Pentavalentná nečistota dodáva mriežkovej štruktúre jeden elektrón navyše, a preto sa nazýva donorová nečistota.Obrázok 3. Polovodič typu N s nečistotou darcu Polovodiče typu P: Polovodiče typu P sú dopované trojmocným polovodičom. Trojmocné nečistoty majú vo svojom valenčnom obale 3 elektróny. Medzi príklady trojmocných nečistôt patrí bór (B), gálium (G), indium (In), hliník (Al). Ako je znázornené na obrázku 4, atóm dopantu vytvára kovalentné väzby iba s tromi susednými atómami kremíka a vo väzbe so štvrtým atómom kremíka sa vytvorí diera alebo prázdne miesto. Otvor funguje ako pozitívny nosič alebo priestor pre elektrón. Trojmocná nečistota teda udelila pozitívne voľné miesto alebo dieru, ktorá môže ľahko prijímať elektróny, a preto sa nazýva nečistota akceptora.  Obrázok 4. Polovodič typu P s akceptorovou nečistotou Koncentrácia nosiča vo vnútornom polovodiči Koncentrácia vlastného nosiča je definovaná ako počet elektrónov na jednotku objemu vo vodivom pásme alebo počet dier na jednotku objemu vo valenčnom pásme. V dôsledku aplikovaného napätia elektrón opustí valenčný pás a na svojom mieste vytvorí kladný otvor. Tento elektrón ďalej vstupuje do vodivého pásma a podieľa sa na vedení prúdu. Vo vnútornom polovodiči sú elektróny generované vo vodivom páse rovné počtu otvorov vo valenčnom pásme. Preto je koncentrácia elektrónu (n) rovnaká ako koncentrácia diery (p) vo vnútornom polovodiči. Koncentráciu vlastného nosiča je možné vyjadriť ako: n_i = n = p Kde, n_i: vnútorná koncentrácia nosiča n: koncentrácia elektrónového nosiča p: diera -koncentrácia nosiča Vodivosť vlastného polovodiča Pretože je vnútorný polovodič vystavený teplu alebo aplikovanému napätiu, elektróny prechádzajú z valenčného pásma do vodivého pásma a vo valenčnom pásme zanechávajú kladný otvor alebo prázdne miesto. Tieto diery sú opäť vyplnené inými elektrónmi, pretože sú porušené kovalentnejšie väzby. Elektróny a diery sa teda pohybujú v opačnom smere a vlastný polovodič začne viesť. Vodivosť sa zvyšuje, keď je zlomených niekoľko kovalentných väzieb, čím sa uvoľní viac elektrónov, čím sa otvoria otvory na vedenie. Vodivosť vlastného polovodiča je vyjadrená pohyblivosťou a koncentráciou nosičov náboja. Vyjadrenie pre vodivosť vlastného polovodiča je vyjadrené ako: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Kde σ_i: vodivosť vnútornej látky polovodič n_i: vnútorná koncentrácia nosiča μ_e: mobilita elektrónov μ_h: mobilita otvorov Viac informácií o MCQ teórie polovodičov nájdete v tomto odkaze

Zanechajte správu 

zoznam správ