Wat is intrinsieke halfgeleider en extrinsieke halfgeleider - energieband en doping?

Halfgeleider, zoals de naam al doet vermoeden, is een soort materiaal dat eigenschappen vertoont van zowel geleiders als isolatoren. Een halfgeleidermateriaal heeft een bepaald niveau van spanning of warmte nodig om zijn dragers vrij te geven voor geleiding. Deze halfgeleiders worden geclassificeerd als 'intrinsiek' en 'extrinsiek' op basis van het aantal dragers. De intrinsieke drager is de zuiverste vorm van halfgeleider en een gelijk aantal elektronen (negatieve ladingsdragers) en gaten (positieve ladingsdragers). De meest gebruikte halfgeleidermaterialen zijn Silicium (Si), Germanium (Ge) en Galliumarsenide (GaAs). Laten we de kenmerken en het gedrag van dit soort halfgeleiders bestuderen. Wat is een intrinsieke halfgeleider? De intrinsieke halfgeleider kan worden gedefinieerd als chemisch zuiver materiaal zonder enige toevoeging van doping of onzuiverheden. De meest bekende intrinsieke of zuivere halfgeleiders die beschikbaar zijn, zijn Silicium (Si) en Germanium (Ge). Het gedrag van de halfgeleider bij het aanleggen van een bepaalde spanning is afhankelijk van zijn atomaire structuur. De buitenste schil van zowel silicium als germanium heeft elk vier elektronen. Om elkaar te stabiliseren vormen nabijgelegen atomen covalente bindingen op basis van het delen van valentie-elektronen. Deze binding in de kristalroosterstructuur van silicium wordt geïllustreerd in figuur 1. Hier is te zien dat de valentie-elektronen van twee Si-atomen samen een covalente binding vormen. Figuur 1. Covalente binding van het siliciumatoom Alle covalente bindingen zijn stabiel en er zijn geen dragers beschikbaar voor geleiding. Hier gedraagt ​​de intrinsieke halfgeleider zich als een isolator of niet-geleider. Als de omgevingstemperatuur nu dicht bij de kamertemperatuur komt, beginnen de covalente bindingen te breken. Zo komen de elektronen uit de valentieschil vrij om deel te nemen aan geleiding. Naarmate er meer dragers worden vrijgegeven voor geleiding, begint de halfgeleider zich als een geleidend materiaal te gedragen. Het onderstaande energiebanddiagram verklaart deze overgang van dragers van de valentieband naar de geleidingsband. Het energiebanddiagram Het energiebanddiagram in figuur 2(a) toont twee niveaus, geleidingsband en valentieband. De ruimte tussen de twee banden wordt de verboden opening genoemd Figuur 2 (a). Energiebanddiagram Figuur Figuur 2(b). Geleidings- en valentiebandelektronen in een halfgeleider Wanneer een halfgeleidermateriaal wordt blootgesteld aan warmte of aangelegde spanning, breken er maar een paar van de covalente bindingen, waardoor vrije elektronen worden gegenereerd, zoals weergegeven in figuur 2 (b). Deze vrije elektronen worden opgewonden en krijgen energie om de verboden kloof te overbruggen en de geleidingsband binnen te gaan vanuit de valentieband. Als het elektron de valentieband verlaat, laat het een gat in de valentieband achter. In een intrinsieke halfgeleider zal altijd een gelijk aantal elektronen en gaten worden gecreëerd en daarom vertoont deze elektrische neutraliteit. Zowel de elektronen als de gaten zijn verantwoordelijk voor de stroomgeleiding in de intrinsieke halfgeleider. Wat is een extrinsieke halfgeleider? De extrinsieke halfgeleider wordt gedefinieerd als het materiaal met een toegevoegde onzuiverheid of gedoteerde halfgeleider. Doping is het proces waarbij bewust onzuiverheden worden toegevoegd om het aantal dragers te vergroten. De gebruikte onzuiverheidselementen worden doteermiddelen genoemd. Omdat het aantal elektronen en gaten groter is in de extrinsieke geleider, vertoont het een grotere geleidbaarheid dan intrinsieke halfgeleiders. Op basis van de gebruikte doteermiddelen worden de extrinsieke halfgeleiders verder geclassificeerd als 'N-type halfgeleider' en 'P-type halfgeleider'.N-type halfgeleiders: De N-type halfgeleiders zijn gedoteerd met vijfwaardige onzuiverheden. De vijfwaardige elementen worden zo genoemd omdat ze 5 elektronen in hun valentieschil hebben. De voorbeelden van vijfwaardige onzuiverheden zijn Fosfor (P), Arseen (As), Antimoon (Sb). Zoals afgebeeld in figuur 3, brengt het doteringsatoom covalente bindingen tot stand door vier van zijn valentie-elektronen te delen met vier naburige siliciumatomen. Het vijfde elektron blijft losjes gebonden aan de kern van het doteringsatoom. Er is zeer minder ionisatie-energie nodig om het vijfde elektron vrij te maken, zodat het de valentieband verlaat en de geleidingsband binnengaat. De vijfwaardige onzuiverheid verleent één extra elektron aan de roosterstructuur en wordt daarom de donoronzuiverheid genoemd.Figuur 3. N-type halfgeleider met donoronzuiverheid P-type halfgeleiders: P-type halfgeleiders zijn gedoteerd met de driewaardige halfgeleider. De driewaardige onzuiverheden hebben 3 elektronen in hun valentieschil. De voorbeelden van driewaardige onzuiverheden omvatten boor (B), gallium (G), indium (In), aluminium (Al). Zoals weergegeven in figuur 4, vestigt het doteringsatoom covalente bindingen met slechts drie naburige siliciumatomen en ontstaat er een gat of leegte in de binding met het vierde siliciumatoom. Het gat fungeert als een positieve drager of ruimte voor het elektron om te bezetten. Dus de driewaardige onzuiverheid heeft een positieve leegte of gat gegeven dat gemakkelijk elektronen kan accepteren en daarom wordt het een Acceptor-onzuiverheid genoemd.  Figuur 4. Halfgeleider van het P-type met de acceptoronzuiverheid Dragerconcentratie in intrinsieke halfgeleider De intrinsieke dragerconcentratie wordt gedefinieerd als het aantal elektronen per volume-eenheid in de geleidingsband of het aantal gaten per volume-eenheid in de valentieband. Door de aangelegde spanning verlaat het elektron de valentieband en creëert op zijn plaats een positief gat. Dit elektron komt verder in de geleidingsband en neemt deel aan de geleiding van stroom. In een intrinsieke halfgeleider zijn de elektronen die in de geleidingsband worden gegenereerd gelijk aan het aantal gaten in de valentieband. Daarom is de elektronenconcentratie (n) gelijk aan de gatenconcentratie (p) in een intrinsieke halfgeleider. Intrinsieke dragerconcentratie kan worden gegeven als: n_i=n=p Waarbij,n_i : intrinsieke dragerconcentratie n : elektronendragerconcentratie p : gat -dragerconcentratie Geleidbaarheid van intrinsieke halfgeleider Als de intrinsieke halfgeleider wordt blootgesteld aan warmte of aangelegde spanning, gaan de elektronen van valentieband naar geleidingsband en laten een positief gat of leegte achter in de valentieband. Opnieuw worden deze gaten gevuld door andere elektronen naarmate meer covalente bindingen worden verbroken. Dus de elektronen en gaten reizen in de tegenovergestelde richting en de intrinsieke halfgeleider begint te geleiden. De geleidbaarheid neemt toe wanneer een aantal covalente bindingen wordt verbroken, waardoor er meer elektronen en gaten vrijkomen voor geleiding. De geleidbaarheid van een intrinsieke halfgeleider wordt uitgedrukt in termen van mobiliteit en concentratie van de ladingsdragers. De uitdrukking voor de geleidbaarheid van een intrinsieke halfgeleider wordt uitgedrukt als:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Waarbij σ_i: geleidbaarheid van een intrinsieke halfgeleider halfgeleider n_i: intrinsieke dragerconcentratie μ_e: mobiliteit van elektronen μ_h: mobiliteit van gaten Raadpleeg deze link voor meer informatie over Halfgeleidertheorie MCQ's

Laat een bericht achter 

Message List