Què és el semiconductor intrínsec i el semiconductor extrínsec: banda d'energia i dopatge?

Semiconductor, com el seu nom indica, és un tipus de material que mostra propietats tant dels conductors com dels aïllants. Un material semiconductor requereix un cert nivell de tensió o calor per alliberar els seus portadors per a la seva conducció. Aquests semiconductors es classifiquen com a "intrínsecs" i "extrínsecs" en funció del nombre de portadors. El portador intrínsec és la forma més pura de semiconductor i un nombre igual d’electrons (portadors de càrrega negativa) i forats (portadors de càrrega positiva). Els materials semiconductors més utilitzats són el silici (Si), el germani (Ge) i l’arsenur de gal·li (GaAs). Estudiem les característiques i el comportament d’aquest tipus de semiconductors. Què és un semiconductor intrínsec? El semiconductor intrínsec es pot definir com a material químicament pur sense que s’hi afegeixi cap dopatge o impuresa. Els semiconductors intrínsecs o purs més coneguts disponibles són el silici (Si) i el germani (Ge). El comportament del semiconductor en aplicar una determinada tensió depèn de la seva estructura atòmica. La capa més externa del silici i del germani tenen quatre electrons cadascun. Per estabilitzar-se els àtoms propers es formen enllaços covalents basats en la compartició d’electrons de valència. Aquesta unió a l'estructura de gelosia del silici es mostra a la figura 1. Aquí es pot veure que els electrons de valència de dos àtoms de Si s'uneixen per formar un enllaç covalent. Figura 1. Enllaç covalent de l'àtom de silici Tots els enllaços covalents són estables i no hi ha portadors disponibles per a la conducció. Aquí el semiconductor intrínsec es comporta com a aïllant o no conductor. Ara bé, si la temperatura ambiental s’acosta a la temperatura ambient dels enllaços covalents, comença a trencar-se. Així, els electrons de la capa de valència s’alliberen per participar en la conducció. A mesura que s’allibera més nombre de portadors per a la conducció, el semiconductor comença a comportar-se com a material conductor. El diagrama de la banda d’energia que es mostra a continuació explica aquesta transició dels portadors de la banda de valència a la banda de conducció. L’espai entre les dues bandes s’anomena bretxa prohibida Figura 2 (a). Diagrama de banda d'energia Figura Figura 2 (b). Electrons de conducció i banda de valència en un semiconductor Quan un material semiconductor està sotmès a calor o tensió aplicada, es trenquen pocs dels enllaços covalents, que generen electrons lliures com es mostra a la figura 2 (b). Aquests electrons lliures s’exciten i guanyen energia per superar l’espai prohibit i entrar a la banda de conducció des de la banda de valència. Quan l’electró surt de la banda de valència, deixa un forat a la banda de valència. En un semiconductor intrínsec sempre es crearà un nombre igual d’electrons i forats i, per tant, presenta neutralitat elèctrica. Tant els electrons com els forats són responsables de la conducció del corrent al semiconductor intrínsec. Què és un semiconductor extrínsec? El semiconductor extrínsec es defineix com el material amb una impuresa addicional o semiconductor dopat. El dopatge és el procés d’afegir deliberadament impureses per augmentar el nombre de transportistes. Els elements d’impuresa utilitzats s’anomenen dopants. Com que el nombre d’electrons i forats és més gran en el conductor extrínsec, presenta una conductivitat més gran que els semiconductors intrínsecs. Basant-se en els dopants utilitzats, els semiconductors extrínsecs es classifiquen a més com a "semiconductor de tipus N" i "semiconductor de tipus P". Semiconductors de tipus N: els semiconductors de tipus N estan dopats amb impureses pentavalents. Els elements pentavalents s’anomenen així ja que tenen 5 electrons a la seva capa de valència. Els exemples d’impuresa pentavalent són el fòsfor (P), l’arsènic (As), l’antimoni (Sb). Tal com es mostra a la figura 3, l'àtom de dopant estableix enllaços covalents compartint quatre dels seus electrons de valència amb quatre àtoms de silici veïns. El cinquè electró roman lligat al nucli de l'àtom de dopant. Es requereix molt menys energia d’ionització per alliberar el cinquè electró perquè surti de la banda de valència i entri a la banda de conducció. La impuresa pentavalent confereix un electró addicional a l’estructura de la xarxa i, per tant, s’anomena impuresa del donant.Figura 3. Semiconductors de tipus N amb impuresa del donant Semiconductors de tipus P: els semiconductors de tipus P es dopen amb el semiconductor trivalent. Les impureses trivalents tenen 3 electrons a la seva capa de valència. Els exemples d’impureses trivalents inclouen el bor (B), el gal·li (G), l’indi (en), l’alumini (Al). Tal com es mostra a la figura 4, l'àtom de dopant estableix enllaços covalents amb només tres àtoms de silici veïns i es genera un forat o vacant en l'enllaç amb el quart àtom de silici. El forat actua com a portador o espai positiu per ocupar l’electró. Així, la impuresa trivalent ha impartit una vacant positiva o un forat que pot acceptar fàcilment electrons i, per tant, es denomina impuresa acceptora.  Figura 4. Semiconductor de tipus P amb la impuresa acceptantConcentració portadora en semiconductor intrínsec La concentració de portadora intrínseca es defineix com el nombre d’electrons per unitat de volum de la banda de conducció o el nombre de forats per unitat de volum de la banda de valència. A causa del voltatge aplicat, l'electró surt de la banda de valència i crea un forat positiu al seu lloc. Aquest electró entra a la banda de conducció i participa en la conducció del corrent. En un semiconductor intrínsec, els electrons generats a la banda de conducció són iguals al nombre de forats de la banda de valència. Per tant, la concentració d'electrons (n) és igual a la concentració de forat (p) en un semiconductor intrínsec. -Concentració de portadors Conductivitat del semiconductor intrínsec A mesura que el semiconductor intrínsec està sotmès a calor o tensió aplicada, els electrons viatgen des de la banda de valència fins a la banda de conducció i deixen un forat positiu o vacant a la banda de valència. De nou aquests forats són omplerts per altres electrons a mesura que es trenquen enllaços més covalents. Així, els electrons i els forats viatgen en direcció contrària i el semiconductor intrínsec comença a conduir-se. La conductivitat augmenta quan es trenquen diversos enllaços covalents, de manera que s’eliberen més electrons i s’obren forats per a la seva conducció. La conductivitat d’un semiconductor intrínsec s’expressa en termes de mobilitat i concentració dels portadors de càrrega. L’expressió de la conductivitat d’un semiconductor intrínsec s’expressa com: σ_i = n_i e (μ_e + μ_h) On σ_i: conductivitat d’un intrínsec semiconductor n_i: concentració de portador intrínsec μ_e: mobilitat d'electrons μ_h: mobilitat de forats Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació sobre els MCQ de la teoria dels semiconductors

Deixa un missatge 

Llista de missatges