Was ist intrinsischer Halbleiter und extrinsischer Halbleiter – Energieband & Dotierung?

Halbleiter ist, wie der Name schon sagt, eine Art von Material, das Eigenschaften sowohl von Leitern als auch von Isolatoren aufweist. Ein Halbleitermaterial benötigt ein bestimmtes Maß an Spannung oder Wärme, um seine Ladungsträger für die Leitung freizugeben. Diese Halbleiter werden basierend auf der Anzahl der Ladungsträger als „intrinsisch“ und „extrinsisch“ klassifiziert. Der intrinsische Träger ist die reinste Form von Halbleitern und hat eine gleiche Anzahl von Elektronen (negative Ladungsträger) und Löcher (positive Ladungsträger). Die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs). Lassen Sie uns die Eigenschaften und das Verhalten dieser Halbleitertypen untersuchen. Was ist ein intrinsischer Halbleiter? Der intrinsische Halbleiter kann als chemisch reines Material ohne Dotierung oder Fremdstoffzugabe definiert werden. Die am häufigsten verfügbaren intrinsischen oder reinen Halbleiter sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Das Verhalten des Halbleiters beim Anlegen einer bestimmten Spannung hängt von seiner atomaren Struktur ab. Die äußerste Schale von Silizium und Germanium hat jeweils vier Elektronen. Um sich gegenseitig zu stabilisieren, bilden benachbarte Atome kovalente Bindungen, die auf der gemeinsamen Nutzung von Valenzelektronen basieren. Diese Bindung in der Kristallgitterstruktur von Silizium ist in Abbildung 1 dargestellt. Hier ist zu sehen, dass sich die Valenzelektronen zweier Si-Atompaare zu einer kovalenten Bindung zusammenschließen. Abbildung 1. Kovalente Bindung des SiliziumatomsAlle kovalenten Bindungen sind stabil und es stehen keine Ladungsträger für die Leitung zur Verfügung. Hier verhält sich der intrinsische Halbleiter wie ein Isolator oder Nichtleiter. Nähert sich nun die Umgebungstemperatur der Raumtemperatur, beginnen die kovalenten Bindungen zu brechen. So werden die Elektronen aus der Valenzschale freigesetzt, um an der Leitung teilzunehmen. Wenn eine größere Anzahl von Ladungsträgern zum Leiten freigegeben wird, beginnt sich der Halbleiter wie ein leitfähiges Material zu verhalten. Das unten gezeigte Energiebanddiagramm erklärt diesen Übergang der Träger vom Valenzband zum Leitungsband. Das Energiebanddiagramm Das in Abbildung 2(a) gezeigte Energiebanddiagramm zeigt zwei Ebenen, das Leitungsband und das Valenzband. Der Raum zwischen den beiden Bändern wird als verbotene Lücke bezeichnet Abbildung 2 (a). Energiebanddiagramm Abbildung Abbildung 2(b). Leitungs- und Valenzbandelektronen in einem Halbleiter Wenn ein Halbleitermaterial Hitze oder angelegter Spannung ausgesetzt wird, brechen nur wenige der kovalenten Bindungen, wodurch freie Elektronen erzeugt werden, wie in Abbildung 2 (b) gezeigt. Diese freien Elektronen werden angeregt und gewinnen Energie, um die verbotene Lücke zu überwinden und aus dem Valenzband in das Leitungsband einzutreten. Wenn das Elektron das Valenzband verlässt, hinterlässt es ein Loch im Valenzband. In einem intrinsischen Halbleiter wird immer eine gleiche Anzahl von Elektronen und Löchern erzeugt und weist daher elektrische Neutralität auf. Sowohl die Elektronen als auch die Löcher sind für die Stromleitung im intrinsischen Halbleiter verantwortlich. Was ist ein extrinsischer Halbleiter? Der extrinsische Halbleiter ist definiert als das Material mit einer zusätzlichen Verunreinigung oder ein dotierter Halbleiter. Dotierung ist der Prozess des absichtlichen Hinzufügens von Verunreinigungen, um die Anzahl der Träger zu erhöhen. Die verwendeten Störstellenelemente werden als Dotierstoffe bezeichnet. Da die Anzahl der Elektronen und Löcher im Fremdleiter größer ist, weist er eine höhere Leitfähigkeit auf als intrinsische Halbleiter. Basierend auf den verwendeten Dotierstoffen werden die extrinsischen Halbleiter weiter in "N-Typ-Halbleiter" und "P-Typ-Halbleiter" eingeteilt. N-Typ-Halbleiter: Die N-Typ-Halbleiter sind mit fünfwertigen Verunreinigungen dotiert. Die fünfwertigen Elemente werden so genannt, da sie 5 Elektronen in ihrer Valenzschale haben. Beispiele für fünfwertige Verunreinigung sind Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb). Wie in Abbildung 3 dargestellt, baut das Dotierstoffatom kovalente Bindungen auf, indem es vier seiner Valenzelektronen mit vier benachbarten Siliziumatomen teilt. Das fünfte Elektron bleibt lose an den Kern des Dotierstoffatoms gebunden. Es ist sehr wenig Ionisierungsenergie erforderlich, um das fünfte Elektron freizusetzen, so dass es das Valenzband verlässt und in das Leitungsband eintritt. Die fünfwertige Verunreinigung verleiht der Gitterstruktur ein zusätzliches Elektron und wird daher als Donor-Verunreinigung bezeichnet.Abbildung 3. N-Typ-Halbleiter mit Donor-FremdatomenP-Typ-Halbleiter:P-Typ-Halbleiter sind mit dem dreiwertigen Halbleiter dotiert. Die dreiwertigen Verunreinigungen haben 3 Elektronen in ihrer Valenzschale. Beispiele für dreiwertige Verunreinigungen umfassen Bor (B), Gallium (G), Indium (In), Aluminium (Al). Wie in Abbildung 4 dargestellt, baut das Dotierstoffatom nur mit drei benachbarten Siliziumatomen kovalente Bindungen auf, und in der Bindung mit dem vierten Siliziumatom wird ein Loch oder eine Leerstelle erzeugt. Das Loch fungiert als positiver Ladungsträger oder Raum für das Elektron. Somit hat die dreiwertige Verunreinigung eine positive Leerstelle oder ein Loch verliehen, die leicht Elektronen aufnehmen kann, und wird daher als Akzeptor-Verunreinigung bezeichnet.  Abbildung 4. P-Typ-Halbleiter mit Akzeptor-StörstelleTrägerkonzentration im intrinsischen HalbleiterDie intrinsische Ladungsträgerkonzentration ist definiert als die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit im Leitungsband oder die Anzahl der Löcher pro Volumeneinheit im Valenzband. Durch die angelegte Spannung verlässt das Elektron das Valenzband und erzeugt an seiner Stelle ein positives Loch. Dieses Elektron tritt weiter in das Leitungsband ein und nimmt an der Stromleitung teil. In einem intrinsischen Halbleiter sind die im Leitungsband erzeugten Elektronen gleich der Anzahl der Löcher im Valenzband. Daher ist die Elektronenkonzentration (n) gleich der Lochkonzentration (p) in einem intrinsischen Halbleiter. Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration kann wie folgt angegeben werden: n_i=n=p Wobei,n_i : intrinsische Ladungsträgerkonzentration n : Elektronenträgerkonzentration p : Loch -TrägerkonzentrationLeitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters Wenn der intrinsische Halbleiter Hitze oder angelegter Spannung ausgesetzt wird, wandern die Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband und hinterlassen ein positives Loch oder eine Leerstelle im Valenzband. Wieder werden diese Löcher durch andere Elektronen gefüllt, wenn mehr kovalente Bindungen gebrochen werden. Dadurch wandern die Elektronen und Löcher in die entgegengesetzte Richtung und der intrinsische Halbleiter beginnt zu leiten. Die Leitfähigkeit steigt, wenn mehrere kovalente Bindungen aufgebrochen werden, wodurch mehr Elektronen und Löcher für die Leitung freigesetzt werden. Die Leitfähigkeit eines intrinsischen Halbleiters wird durch Mobilität und Konzentration der Ladungsträger ausgedrückt. Der Ausdruck für die Leitfähigkeit eines intrinsischen Halbleiters wird ausgedrückt als:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Wobei σ_i: Leitfähigkeit eines intrinsischen Halbleiter n_i : intrinsische Ladungsträgerkonzentration μ_e: Mobilität von Elektronen μ_h: Mobilität von LöchernBitte beachten Sie diesen Link, um mehr über Halbleitertheorie MCQs zu erfahren

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