Que é o semicondutor intrínseco e o semicondutor extrínseco: banda de enerxía e dopaxe?

Semicondutor, como o nome suxire, é un tipo de material cuxas propiedades amosan tanto os condutores como os illantes. Un material semicondutor require un certo nivel de tensión ou calor para liberar os seus portadores para a condución. Estes semicondutores clasifícanse en "intrínsecos" e "extrínsecos" segundo o número de portadores. O portador intrínseco é a forma máis pura de semicondutores e un número igual de electróns (portadores de carga negativa) e buratos (portadores de carga positiva). Os materiais semicondutores máis empregados son o silicio (Si), o xermanio (Ge) e o arseniuro de galio (GaAs). Estudemos as características e o comportamento destes tipos de semicondutores. Que é un semicondutor intrínseco? O semicondutor intrínseco pódese definir como material quimicamente puro sen que se lle engada dopaxe ou impureza. Os semicondutores intrínsecos ou puros máis coñecidos dispoñibles son o silicio (Si) e o xermanio (Ge). O comportamento do semicondutor na aplicación dunha determinada tensión depende da súa estrutura atómica. A capa máis externa do silicio e do xermanio teñen catro electróns cada unha. Para estabilizarse mutuamente os átomos próximos forman enlaces covalentes baseados na compartición de electróns de valencia. Este enlace na estrutura de rede cristalina do silicio está ilustrado na figura 1. Aquí pódese ver que os electróns de valencia de dous átomos de Si se unen para formar un enlace covalente. Figura 1. Enlace covalente do átomo de silicio En todos os enlaces covalentes son estables e non hai portadores dispoñibles para a condución. Aquí o semicondutor intrínseco compórtase como illante ou non condutor. Agora, se a temperatura ambiente se achega á temperatura ambiente, os enlaces covalentes comezan a romperse. Así, os electróns da capa de valencia libéranse para participar na condución. A medida que se libera máis número de portadores para a condución, o semicondutor comeza a comportarse como material condutor. O diagrama de banda de enerxía que se indica a continuación explica esta transición dos portadores da banda de valencia á banda de condución. O espazo entre as dúas bandas chámase brecha prohibida Figura 2 (a). Diagrama de banda enerxética Figura Figura 2 (b). Electróns da banda de condución e valencia nun semicondutor Cando un material semicondutor está sometido a calor ou tensión aplicada, algúns dos enlaces covalentes rompen, o que xera electróns libres como se mostra na figura 2 (b). Estes electróns libres excitanse e gañan enerxía para superar a fenda prohibida e entrar na banda de condución desde a banda de valencia. Cando o electrón sae da banda de valencia, deixa atrás un burato na banda de valencia. Nun semicondutor intrínseco sempre se creará un número igual de electróns e buratos e, polo tanto, exhibe neutralidade eléctrica. Tanto os electróns como os buratos son os responsables da condución da corrente no semicondutor intrínseco. Que é un semicondutor extrínseco? O semicondutor extrínseco defínese como o material cunha impureza engadida ou semicondutor dopado. A dopaxe é o proceso de engadir deliberadamente impurezas para aumentar o número de transportistas. Os elementos de impureza empregados denomínanse dopantes. Como o número de electróns e buratos é maior no condutor extrínseco, presenta unha condutividade maior que os semicondutores intrínsecos. Con base nos dopantes utilizados, os semicondutores extrínsecos clasifícanse ademais como "semicondutores de tipo N" e "semicondutores de tipo P". Semicondutores de tipo N. Os semicondutores de tipo N están dopados con impurezas pentavalentes. Os elementos pentavalentes chámanse así xa que teñen 5 electróns na súa capa de valencia. Os exemplos de impurezas pentavalentes son o fósforo (P), o arsénico (As), o antimonio (Sb). Como se mostra na figura 3, o átomo dopante establece enlaces covalentes compartindo catro dos seus electróns de valencia con catro átomos de silicio veciños. O quinto electrón segue ligado ao núcleo do átomo dopante. Requírese moita menos enerxía de ionización para liberar o quinto electrón para que abandone a banda de valencia e entre na banda de condución. A impureza pentavalente imparte un electrón extra á estrutura da rede e, polo tanto, chámase impureza doador.Figura 3. Semicondutores de tipo N con impureza doadora. Semicondutores de tipo P: semicondutores de tipo P están dopados co semicondutor trivalente. As impurezas trivalentes teñen 3 electróns na capa de valencia. Os exemplos de impurezas trivalentes inclúen o boro (B), o galio (G), o indio (en), o aluminio (Al). Como se mostra na figura 4, o átomo dopante establece enlaces covalentes con só tres átomos de silicio veciños e xérase un burato ou vacante no enlace co cuarto átomo de silicio. O burato actúa como portador ou espazo positivo para ocupar o electrón. Así, a impureza trivalente impartiu unha vacante ou oco positivo que pode aceptar facilmente electróns e, polo tanto, chámase impureza aceptora.  Figura 4. Semicondutor de tipo P coa impureza aceptora Concentración portadora en semicondutores intrínsecos A concentración de portadora intrínseca defínese como o número de electróns por unidade de volume na banda de condución ou o número de buratos por unidade de volume na banda de valencia. Debido á tensión aplicada, o electrón sae da banda de valencia e crea un burato positivo no seu lugar. Este electrón entra ademais na banda de condución e participa na condución de corrente. Nun semicondutor intrínseco, os electróns xerados na banda de condución son iguais ao número de buratos da banda de valencia. Polo tanto, a concentración de electróns (n) é igual á concentración de burato (p) nun semicondutor intrínseco. A concentración de portador intrínseco pódese dar como: n_i = n = p Onde, n_i: concentración de portador intrínseco n: concentración de portador de electróns p: burato -concentración de portadoresCondutividade do semicondutor intrínseco Como o semicondutor intrínseco está sometido a calor ou tensión aplicada, os electróns viaxan de banda de valencia a banda de condución e deixan un oco positivo ou vacante na banda de valencia. De novo, estes buratos enchen outros electróns a medida que se rompen máis enlaces covalentes. Así, os electróns e os buratos viaxan na dirección oposta e o semicondutor intrínseco comeza a conducirse. A condutividade aumenta cando se rompen varios enlaces covalentes, polo que se liberan máis electróns e buratos para a condución. A condutividade dun semicondutor intrínseco exprésase en termos de mobilidade e concentración dos portadores de carga. A expresión da condutividade dun semicondutor intrínseco dase expresada como: σ_i = n_i e (μ_e + μ_h) Onde σ_i: condutividade dun intrínseco semicondutor n_i: concentración de portadora intrínseca μ_e: mobilidade de electróns μ_h: mobilidade de buratos Consulte esta ligazón para saber máis sobre os MCQs da teoría dos semicondutores

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes