Mi az a belső félvezető és a külső félvezető – energiasáv és dopping?

A félvezető, ahogy a neve is sugallja, egy olyan anyag, amely a vezetők és a szigetelők tulajdonságait egyaránt mutatja. Egy félvezető anyagnak bizonyos szintű feszültségre vagy hőre van szüksége ahhoz, hogy a vezetőit felszabadítsa. Ezeket a félvezetőket a hordozók száma alapján „belső” és „külső” kategóriába sorolják. A belső hordozó a félvezető legtisztább formája, és azonos számú elektron (negatív töltéshordozó) és lyuk (pozitív töltéshordozó) van. A leggyakrabban használt félvezető anyagok a szilícium (Si), a germánium (Ge) és a gallium -arzenid (GaAs). Vizsgáljuk meg az ilyen típusú félvezetők jellemzőit és viselkedését. A leggyakrabban ismert belső vagy tiszta félvezetők a szilícium (Si) és a germánium (Ge). A félvezető viselkedése bizonyos feszültség alkalmazásakor az atomszerkezetétől függ. Mind a szilícium, mind a germánium legkülső héja négy-négy elektront tartalmaz. Egymás stabilizálására a közeli atomok kovalens kötéseket alakítanak ki a vegyértékelektronok megosztása alapján. Ezt a kötést a szilícium kristályrácsszerkezetében az 1. ábra szemlélteti. Itt látható, hogy két Si atom vegyértékelektronjai párosulva kovalens kötést alkotnak. 1. ábra. A szilícium atom kovalens kötése Valamennyi kovalens kötés stabil, és nem állnak rendelkezésre hordozók a vezetéshez. Itt a belső félvezető szigetelőként vagy nem vezetőként viselkedik. Most, ha a környezeti hőmérséklet megközelíti a szobahőmérsékletet, a kovalens kötések megszakadnak. Így a vegyértékhéj elektronjai felszabadulnak, hogy részt vegyenek a vezetésben. Ahogy több hordozó szabadul fel vezetésre, a félvezető vezető anyagként kezd viselkedni. Az alábbi energiasávdiagram megmagyarázza a hordozók átmenetét a vegyértéksávról a vezetési sávra. Az energiasáv diagram A 2(a) ábrán látható energiasáv diagram két szintet ábrázol, a vezetési sávot és a vegyértéksávot. A két sáv közötti teret tiltott résnek nevezzük 2. ábra (a). Energiasáv diagram ábra 2(b) ábra. Vezetőképesség és vegyértéksávú elektronok egy félvezetőben Ha egy félvezető anyagot hőnek vagy feszültségnek tesznek ki, a kovalens kötések közül néhány megszakad, ami szabad elektronokat generál, amint az a 2. (b) ábrán látható. Ezek a szabad elektronok izgalomba jönnek és energiát nyernek, hogy legyőzzék a tiltott rést, és a vegyértéksávból belépjenek a vezetési sávba. Ahogy az elektron elhagyja a vegyértéksávot, lyukat hagy maga után a vegyértéksávban. Egy belső félvezetőben mindig azonos számú elektron és lyuk jön létre, és ezért elektromos semlegességet mutat. Mind az elektronok, mind a lyukak felelősek az áramvezetésért a belső félvezetőben. Mi az a külső félvezető? A dopping az a folyamat, amikor szándékosan hozzáadnak szennyeződéseket a hordozók számának növelése érdekében. A használt szennyező elemeket dópoló anyagoknak nevezzük. Mivel az elektronok és lyukak száma nagyobb a külső vezetőben, nagyobb vezetőképességet mutat, mint a belső félvezetők. A felhasznált adalékanyagok alapján a külső félvezetőket az „N-típusú félvezetők” és a „P-típusú félvezetők” kategóriába sorolják. N-típusú félvezetők: Az N-típusú félvezetők ötértékű szennyeződésekkel vannak adalékolva. Az ötértékű elemeket így nevezzük, mivel vegyértékhéjukban 5 elektron van. Az ötértékű szennyeződések példái a foszfor (P), arzén (As), antimon (Sb). A 3. ábrán látható módon az adalékanyag kovalens kötéseket hoz létre úgy, hogy négy vegyértékelektronját megosztja négy szomszédos szilíciumatommal. Az ötödik elektron lazán kötődik az adalékanyag atommagjához. Nagyon kevesebb ionizációs energia szükséges az ötödik elektron felszabadításához, így az elhagyja a vegyértéksávot és belép a vezetési sávba. Az ötértékű szennyező egy extra elektront ad a rácsszerkezetnek, ezért Donor-szennyezésnek nevezik.3. ábra N-típusú félvezető donor szennyeződésselP-típusú félvezetők: A P-típusú félvezetők a háromértékű félvezetővel vannak adalékolva. A háromértékű szennyeződések vegyértékhéjában 3 elektron van. A háromértékű szennyeződésekre példa a bór (B), a gallium (G), az indium (In), az alumínium (Al). A 4. ábrán látható módon az adalékanyag csak három szomszédos szilíciumatommal hoz létre kovalens kötést, és a negyedik szilíciumatommal kötött kötésben lyuk vagy üresedés keletkezik. A lyuk pozitív hordozóként vagy térként működik az elektronok számára. Így a háromértékű szennyeződés pozitív üresedést vagy lyukat hoz létre, amely könnyen képes elektronokat fogadni, és ezért akceptor szennyeződésnek nevezik.  4. ábra: P-típusú félvezető akceptor szennyezővel. A belső félvezető hordozókoncentrációja A belső hordozókoncentráció az egységnyi térfogatra jutó elektronok száma a vezetési sávban vagy az egységnyi térfogatú lyukak száma a vegyértéksávban. Az alkalmazott feszültség hatására az elektron elhagyja a vegyértéksávot és pozitív lyukat hoz létre a helyén. Ez az elektron tovább lép a vezetési sávba, és részt vesz az áramvezetésben. Egy belső félvezetőben a vezetési sávban generált elektronok száma megegyezik a vegyértéksávban lévő lyukak számával. Ezért az elektronkoncentráció (n) egyenlő a lyukkoncentrációval (p) egy belső félvezetőben. A belső hordozókoncentráció a következőképpen adható meg: n_i=n=p Ahol,n_i : belső hordozókoncentráció n : elektronhordozó koncentráció p : lyuk -vivőkoncentráció A belső félvezető vezetőképességeA belső félvezető hőhatásnak vagy feszültségnek van kitéve, az elektronok a vegyértéksávról a vezetési sávra haladnak, és pozitív lyukat vagy ürességet hagynak a vegyértéksávban. Ezeket a lyukakat ismét más elektronok töltik ki, mivel több kovalens kötés szakad meg. Így az elektronok és a lyukak ellenkező irányba haladnak, és a belső félvezető vezetni kezd. A vezetőképesség növekszik, ha több kovalens kötés megszakad, így több elektron szabadul fel vezetésre. A belső félvezető vezetőképességét a töltéshordozók mobilitása és koncentrációja fejezi ki. A belső félvezető vezetőképességének kifejezése a következőképpen van megadva: σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Ahol σ_i: belső félvezető vezetőképessége félvezető n_i : belső hordozókoncentráció μ_e: elektronok mobilitása μ_h: lyukak mobilitása Kérjük, tekintse meg ezt a linket, ha többet szeretne megtudni a félvezetőelméleti MCQ-król

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista