Co je vnitřní polovodič a vnější polovodič - energetické pásmo a doping?

Polovodič, jak název napovídá, je druh materiálu, který vykazuje vlastnosti vodičů i izolátorů. Polovodičový materiál vyžaduje určitou úroveň napětí nebo tepla, aby uvolnil své nosiče pro vedení. Tyto polovodiče jsou klasifikovány jako „vnitřní“ a „vnější“ podle počtu nosných. Vlastní nosič je nejčistší formou polovodiče a stejného počtu elektronů (záporných nosičů náboje) a děr (kladných nosičů náboje). Nejpoužívanějšími polovodičovými materiály jsou křemík (Si), germanium (Ge) a arzenid galia (GaAs). Pojďme studovat vlastnosti a chování těchto typů polovodičů. Co je to vnitřní polovodič? Vnitřní polovodič lze definovat jako chemicky čistý materiál bez přidání dopingu nebo nečistot. Nejčastěji známými vlastními nebo čistými polovodiči jsou Silicon (Si) a Germanium (Ge). Chování polovodiče při aplikaci určitého napětí závisí na jeho atomové struktuře. Vnější obal jak křemíku, tak germania má po čtyřech elektronech. Aby se navzájem stabilizovaly, vytvářejí blízké atomy kovalentní vazby založené na sdílení valenčních elektronů. Toto spojení v krystalové mřížkové struktuře křemíku je znázorněno na obrázku 1. Zde je vidět, že valenční elektrony dvou atomů Si spolu tvoří kovalentní vazbu. Obrázek 1. Kovalentní vazba atomu křemíku Všechny kovalentní vazby jsou stabilní a nejsou k dispozici žádné nosiče pro vedení. Zde se vlastní polovodič chová jako izolátor nebo nevodič. Pokud se okolní teplota přiblíží pokojové teplotě, začnou se kovalentní vazby lámat. Elektrony z valenčního obalu se tak uvolní, aby se zúčastnily vedení. Jak se uvolní více vodičů pro vedení, polovodič se začne chovat jako vodivý materiál. Níže uvedený diagram energetického pásma vysvětluje tento přechod nosičů z valenčního pásma do vodivého pásma. Diagram energetického pásma Diagram energetického pásma zobrazený na obrázku 2 (a) zobrazuje dvě úrovně, vodivé pásmo a valenční pásmo. Prostor mezi těmito dvěma pásy se nazývá zakázaná mezera Obrázek 2 (a). Schéma energetického pásma Obrázek Obrázek 2 (b). Elektrony vodivostního a valenčního pásma v polovodiči Když je polovodičový materiál vystaven teplu nebo přivedenému napětí, několik kovalentních vazeb se rozbije, což generuje volné elektrony, jak je znázorněno na obrázku 2 (b). Tyto volné elektrony se vzrušují a získávají energii, aby překonaly zakázanou mezeru a vstoupily do pásma vedení z valenčního pásma. Jak elektron opouští valenční pásmo, zanechává za sebou díru ve valenčním pásmu. Ve vnitřním polovodiči bude vždy vytvořen stejný počet elektronů a otvorů, a proto vykazuje elektrickou neutralitu. Elektrony i otvory jsou zodpovědné za vedení proudu ve vnitřním polovodiči. Co je to vnější polovodič? Vnější polovodič je definován jako materiál s přidanou nečistotou nebo dopovaný polovodič. Doping je proces záměrného přidávání nečistot za účelem zvýšení počtu nosičů. Použité prvky nečistot se označují jako dopanty. Protože je počet elektronů a děr ve vnějším vodiči větší, vykazuje větší vodivost než vnitřní polovodiče. Na základě použitých příměsí jsou extrinsické polovodiče dále klasifikovány jako „polovodič typu N“ a „polovodič typu P“. Polovodiče typu N: Polovodiče typu N jsou dopovány pentavalentními nečistotami. Pentavalentní prvky se nazývají tak, že mají ve svém valenčním obalu 5 elektronů. Příklady pětimocných nečistot jsou Fosfor (P), Arsen (As), Antimony (Sb). Jak je znázorněno na obrázku 3, atom dopantu vytváří kovalentní vazby sdílením čtyř svých valenčních elektronů se čtyřmi sousedními atomy křemíku. Pátý elektron zůstává volně vázán na jádro atomu dopantu. K uvolnění pátého elektronu je zapotřebí mnohem méně ionizační energie, takže opouští valenční pásmo a vstupuje do vodivého pásma. Pětimocná nečistota propůjčuje mřížkové struktuře jeden elektron navíc, a proto se nazývá jako donorová nečistota.Obrázek 3. Polovodič typu N s příměsí dárce Polovodiče typu P: Polovodiče typu P jsou dopovány trojmocným polovodičem. Trojmocné nečistoty mají ve svém valenčním obalu 3 elektrony. Příklady trojmocných nečistot zahrnují bor (B), gallium (G), indium (In), hliník (Al). Jak je znázorněno na obrázku 4, atom dopantu vytváří kovalentní vazby pouze se třemi sousedními atomy křemíku a ve vazbě se čtvrtým atomem křemíku je vytvořena díra nebo volné místo. Otvor funguje jako kladný nosič nebo prostor, ve kterém může elektron zabírat. Trojmocná nečistota tedy udělila pozitivní volné místo nebo díru, která může snadno přijímat elektrony, a proto se nazývá nečistota přijímače.  Obrázek 4. Polovodič typu P s akceptorovou nečistotou Koncentrace nosiče ve vnitřním polovodiči Koncentrace vlastního nosiče je definována jako počet elektronů na jednotku objemu ve vodivém pásmu nebo počet otvorů na jednotku objemu ve valenčním pásmu. V důsledku aplikovaného napětí elektron opustí valenční pásmo a na svém místě vytvoří kladný otvor. Tento elektron dále vstupuje do vodivého pásma a podílí se na vedení proudu. Ve vnitřním polovodiči se elektrony generované ve vodivém pásmu rovnají počtu otvorů ve valenčním pásmu. Koncentrace elektronů (n) se proto rovná koncentraci díry (p) ve vnitřním polovodiči. Koncentraci vlastního nosiče lze zadat jako: n_i = n = p Kde, n_i: koncentrace vlastního nosiče n: koncentrace elektronového nosiče p: díra -koncentrace nosiče Vodivost vnitřního polovodiče Jelikož je vlastní polovodič vystaven teplu nebo aplikovanému napětí, elektrony putují z valenčního pásma do vodivého pásma a ve valenčním pásmu zanechávají kladnou díru nebo volné místo. Tyto otvory jsou opět vyplněny jinými elektrony, protože jsou porušeny kovalentnější vazby. Elektrony a díry se tedy pohybují v opačném směru a vlastní polovodič začne vést. Vodivost se zvyšuje, když je porušena řada kovalentních vazeb, čímž se uvolní více elektronů pro vedení. Vodivost vlastního polovodiče je vyjádřena mobilitou a koncentrací nosičů náboje. Vyjádření pro vodivost vlastního polovodiče je vyjádřeno jako: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Kde σ_i: vodivost vnitřního polovodiče polovodič n_i: vnitřní koncentrace nosiče μ_e: mobilita elektronů μ_h: mobilita otvorů Více informací o teorii polovodičů MCQ naleznete v tomto odkazu

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv