Kas ir iekšējais pusvadītājs un ārējais pusvadītājs — enerģijas josla un dopings?

Pusvadītājs, kā norāda nosaukums, ir sava veida materiāls, kas parāda gan vadītāju, gan izolatoru īpašības. Pusvadītāju materiālam ir nepieciešams noteikts sprieguma vai siltuma līmenis, lai atbrīvotu tā nesējus vadīšanai. Šos pusvadītājus klasificē kā “iekšējos” un “ārējos”, pamatojoties uz nesēju skaitu. Iekšējais nesējs ir tīrākais pusvadītāju veids un vienāds skaits elektronu (negatīvu lādiņu nesēju) un caurumu (pozitīvu lādiņu nesēji). Visvairāk izmantotie pusvadītāju materiāli ir silīcijs (Si), ģermānijs (Ge) un gallija arsenīds (GaAs). Izpētīsim šo pusvadītāju veidu īpašības un uzvedību. Kas ir iekšējais pusvadītājs? Iekšējo pusvadītāju var definēt kā ķīmiski tīru materiālu bez jebkāda dopinga vai piemaisījumu pievienošanas. Visbiežāk zināmie raksturīgie vai tīri pusvadītāji ir silīcijs (Si) un germānija (Ge). Pusvadītāja uzvedība, pieliekot noteiktu spriegumu, ir atkarīga no tā atomu struktūras. Gan silīcija, gan germānija ārējā apvalkā ir četri elektroni. Lai stabilizētu viens otru, tuvumā esošie atomi veido kovalentas saites, pamatojoties uz valences elektronu sadali. Šī saite silīcija kristāla režģa struktūrā ir parādīta 1. attēlā. Šeit redzams, ka divu Si atomu valences elektroni savienojas kopā, veidojot kovalento saiti. 1. attēls. Silīcija atoma kovalentā saite Visas kovalentās saites ir stabilas un vadīšanai nav pieejami nesēji. Šeit iekšējais pusvadītājs darbojas kā izolators vai nevadītājs. Tagad, ja apkārtējās vides temperatūra tuvojas istabas temperatūrai, kovalentās saites sāk plīst. Tādējādi elektroni no valences apvalka tiek atbrīvoti, lai piedalītos vadīšanā. Tā kā vadīšanai tiek atbrīvots vairāk nesēju, pusvadītājs sāk darboties kā vadošs materiāls. Tālāk sniegtā enerģijas joslu diagramma izskaidro šo nesēju pāreju no valences joslas uz vadīšanas joslu. Enerģijas joslu diagramma Enerģijas joslu diagramma, kas parādīta 2. attēlā (a), attēlo divus līmeņus: vadīšanas joslu un valences joslu. Atstarpi starp abām joslām sauc par aizliegto atstarpi 2. attēls (a). Enerģijas joslu diagramma Attēls 2(b) attēls. Vadītspējas un valences joslas elektroni pusvadītājā Ja pusvadītāju materiāls tiek pakļauts karstumam vai pielietotam spriegumam, dažas no kovalentajām saitēm saplīst, kas rada brīvos elektronus, kā parādīts 2. (b) attēlā. Šie brīvie elektroni uzbudinās un iegūst enerģiju, lai pārvarētu aizliegto spraugu un iekļūtu vadīšanas joslā no valences joslas. Kad elektrons atstāj valences joslu, tas atstāj valences joslā caurumu. Iekšējā pusvadītājā vienmēr tiks izveidots vienāds skaits elektronu un caurumu, un tāpēc tam piemīt elektriskā neitralitāte. Gan elektroni, gan caurumi ir atbildīgi par strāvas vadīšanu iekšējā pusvadītājā. Kas ir ārējais pusvadītājs? Ārējais pusvadītājs ir definēts kā materiāls ar pievienotu piemaisījumu vai leģētu pusvadītāju. Dopings ir process, kurā apzināti tiek pievienoti piemaisījumi, lai palielinātu nesēju skaitu. Izmantotos piemaisījumu elementus sauc par piedevām. Tā kā elektronu un caurumu skaits ārējā vadītājā ir lielāks, tam ir lielāka vadītspēja nekā iekšējiem pusvadītājiem. Pamatojoties uz izmantotajām piedevām, ārējos pusvadītājus tālāk klasificē kā "N tipa pusvadītājus" un "P tipa pusvadītājus". N tipa pusvadītāji: N tipa pusvadītāji ir leģēti ar piecvērtīgiem piemaisījumiem. Piecvērtīgie elementi tiek saukti tā, ka to valences apvalkā ir 5 elektroni. Piecvērtīgo piemaisījumu piemēri ir fosfors (P), arsēns (As), antimons (Sb). Kā parādīts 3. attēlā, dopanta atoms izveido kovalentās saites, daloties četros tā valences elektronos ar četriem blakus esošajiem silīcija atomiem. Piektais elektrons paliek brīvi saistīts ar piedevas atoma kodolu. Ir nepieciešama ļoti mazāka jonizācijas enerģija, lai atbrīvotu piekto elektronu tā, lai tas atstātu valences joslu un nonāktu vadīšanas joslā. Piecvērtīgais piemaisījums piešķir režģa struktūrai vienu papildu elektronu, un tāpēc to sauc par donora piemaisījumu.3. attēls. N-tipa pusvadītājs ar donora piemaisījumuP-tipa pusvadītāji:P-tipa pusvadītāji ir leģēti ar trīsvērtīgo pusvadītāju. Trīsvērtīgo piemaisījumu valences apvalkā ir 3 elektroni. Trīsvērtīgo piemaisījumu piemēri ir bors (B), gallijs (G), indijs (in), alumīnijs (Al). Kā parādīts 4. attēlā, dopanta atoms izveido kovalentās saites tikai ar trim blakus esošajiem silīcija atomiem, un saitē ar ceturto silīcija atomu veidojas caurums vai vakance. Caurums darbojas kā pozitīvs nesējs vai telpa, kurā elektrons var aizņemt. Tādējādi trīsvērtīgais piemaisījums ir radījis pozitīvu vakanci vai caurumu, kas var viegli pieņemt elektronus, un tāpēc to sauc par akceptora piemaisījumu.  4. attēls. P-veida pusvadītājs ar akceptora piemaisījumu. Nesēja koncentrācija iekšējā pusvadītājā Iekšējā nesēja koncentrācija ir definēta kā elektronu skaits uz tilpuma vienību vadītspējas joslā vai caurumu skaits uz tilpuma vienību valences joslā. Pieliktā sprieguma dēļ elektrons atstāj valences joslu un savā vietā izveido pozitīvu caurumu. Šis elektrons tālāk nonāk vadīšanas joslā un piedalās strāvas vadīšanā. Iekšējā pusvadītājā vadītspējas joslā ģenerētie elektroni ir vienādi ar caurumu skaitu valences joslā. Tāpēc elektronu koncentrācija (n) ir vienāda ar cauruma koncentrāciju (p) iekšējā pusvadītājā. Iekšējo nesēja koncentrāciju var norādīt šādi: n_i=n=p Kur,n_i : iekšējā nesēja koncentrācija n : elektronu nesēja koncentrācija p : caurums -nesēja koncentrācija Iekšējā pusvadītāja vadītspēja Tā kā iekšējais pusvadītājs tiek pakļauts siltumam vai pieliktam spriegumam, elektroni pārvietojas no valences joslas uz vadīšanas joslu un atstāj pozitīvu caurumu vai vakanci valences joslā. Atkal šos caurumus aizpilda citi elektroni, jo tiek pārtrauktas kovalentās saites. Tādējādi elektroni un caurumi pārvietojas pretējā virzienā, un iekšējais pusvadītājs sāk vadīt. Vadītspēja palielinās, kad tiek pārtrauktas vairākas kovalentās saites, tādējādi vairāk elektronu tiek atbrīvoti vadītspējai. Iekšējā pusvadītāja vadītspēju izsaka lādiņnesēju mobilitātes un koncentrācijas izteiksmē. Iekšējā pusvadītāja vadītspējas izteiksme ir izteikta šādi:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Kur σ_i: iekšējā pusvadītāja vadītspēja. pusvadītājs n_i : iekšējā nesēja koncentrācija μ_e: elektronu mobilitāte μ_h: caurumu mobilitāte Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par pusvadītāju teorijas MCQ.

Atstāj ziņu 

Message saraksts