Conductia intrinseca

Conductia intrinseca

Conductia unui semiconductor intrinsec se poate totusi realiza prin promovarea unor electroni din BV in BC.

Fig.4. Aparitia unui electron si a unui gol de conductie in benzile energetice

La temperaturi mai mari de 0⁰K, o parte a energiei termice este preluata de catre electronii de valenta, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece de nivelele energetice din banda interzisa si ajunge pe nivelele energetice din banda de conductie, devenind liberi sa se deplaseze prin structura materialului.

Figura 4.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valenta, locul ocupat initial de catre acestia pe nivelul energetic din banda de valenta devine liber, altfel spus - gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valenta, fara un aport energetic substantial. Acest al 2-lea electron de valenta, prin ocuparea nivelului energetic lasat liber de primul electron, lasa la randul lui un nou loc liber, un nou gol, pe nivelul energetic ocupat in banda de valenta. Se constata astfel, o deplasare a golurilor in banda de valenta, motiv pentru care si golul este un purtator de sarcina mobil (purtator fictiv). Acest fenomen este prezentat in fig.4.

Acelasi fenomen poate fi explicat pe baza structurii retelei cristaline a atomului de siliciu. La temperatura de 0⁰K, atomii de siliciu sunt legati prin legaturi covalente la care fiecare dintre acestia participa cu cate 4 electroni de valenta. La nivelul retelei cristaline, electronii de valenta pot capata suficienta energie astfel incat sa rupa legaturile covalente in care au fost fixati. Prin ruperea legaturii covalente, electronii de valenta devin liberi (devin electroni de conductie) si lasa in urma, la nivelul atomului de unde au plecat un gol, caracterizat printr-un un exces de sarcina pozitiva la nivelul atomului respectiv. Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric, cu o sarcina electrica pozitiva fictiva. In continuare, daca un alt electron de valenta rupe o legatura covalenta, devenind liber, poate ocupa golul lasat de primul electron de valenta. Acest fenomen este sugerat in fig.5.

Fig.5. Reteaua cristalina, aparitia unui electron liber si a unui gol

Purtatorii mobili de sarcina electrica in semiconductoare sunt electronii de conductie si golurile. Deoarece acestia sunt mobili, se pot deplasa prin structura semiconductorului. In cazul in care deplasarea purtatorilor de sarcina este orientata (nu este haotica), fenomen care se poate observa, de exemplu, in cazul in care se aplica asupra semiconductorului un camp electric, prin structura semiconductorului se observa aparitia unor fenomene de conductie electrica (fenomene legate de generarea curentului electric).

In consecinta, se poate spune ca intr-un semiconductor intrinsec procesul  de conductie se realizeaza prin electronii din banda de conductie si prin golurile din banda devalenta, ca in fig.6; conductia astfel realizata se numeste conductie intrinseca.

Fig.6. Conductia in semiconductorii intrinseci

Generarea purtatorilor mobili de sarcina

Din cele prezentate mai sus se constata ca, intr-un material semiconductor, purtatorii mobili de sarcina (electroni de conductie si goluri) sunt generati prin ruperea legaturilor covalente.

In plus, se constata ca prin cresterea temperaturii, numarul de electroni de valenta care capata suficienta energie pentru a rupe legaturile covalente, creste. In concluzie, prin cresterea temperaturii, tot mai multe legaturi covalente se rup si astfel sunt generati tot mai multi purtatori mobili de sarcina.

Mecanismul de generare a purtatorilor mobili de sarcina in semiconductoare pe baza cresterii temperaturii se numeste generare termica de purtatori de sarcina.

Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat ca, prin ruperea legaturilor covalente, electronii de conductie si golurile sunt generati in perechi.

Deoarece electronii de conductie si golurile sunt generati in perechi, concentratiile de purtatori mobili de sarcina electrica intr-un semiconductor intrinsec sunt egale. Concentratiile de purtatori mobili de sarcina electrica intr-un semiconductor se noteaza astfel:

n = concentratia de electroni de conductie,

p = concentratia de goluri.

Valoarea comuna a acestor concentratii se numeste concentratie intrinseca si se noteaza cu n_i. In concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabila relatia:

(1)

Fig.7. Variatia cu temperatura a concentratiei intrinseci la Si si Ge

Concentratia intrinseca creste cu cresterea temperaturii semiconductorului. La temperatura camerei, considerata 300⁰K, n_i are valoarea 1,45 10¹⁰cm^-3 pentru siliciu, respectiv 2 10¹³cm^-3, la germaniu. In fig.7 se prezinta modul in care variaza cu temperatura T concentratia intrinseca a unui material semiconductor din siliciu sau germaniu.

Recombinarea purtatorilor de sarcina

In cadrul semiconductoarelor, pe langa mecanismul de generare a purtatorilor de sarcina este prezent si mecanismul invers, care duce la disparitia purtatorilor de sarcina. Mecanismul respectiv se numeste recombinare de purtatori de sarcina si este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de conductie, pe un nivel energetic inferior, in banda de valenta.

Revenirea in banda de valenta a unui electron de conductie duce atat la disparitia unui electron de conductie cat si a unui gol.

Deci, mecanismul de recombinare a purtatorilor de sarcina duce la disparitia in perechi a acestora.