Chất bán dẫn nội tại và ngoại lai

Một chất bán dẫn tinh khiết chỉ dẫn điện thông qua các cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra do nhiệt, nhưng việc cố ý thêm các tạp chất cho hoặc nhận sẽ biến nó thành vật liệu loại n hoặc loại p với độ dẫn điện có thể kiểm soát được.

Definition

Chất bán dẫn nội tại là một tinh thể tinh khiết trong đó số lượng điện tử và lỗ trống bằng nhau được tạo ra bởi sự kích thích nhiệt qua khe năng lượng; chất bán dẫn ngoại lai là chất được pha tạp với các tạp chất cho hoặc nhận tạo ra sự dư thừa của một loại hạt tải điện, làm cho nó trở thành loại n hoặc loại p.

Scope

Chủ đề này phân biệt chất bán dẫn nội tại, nơi nồng độ điện tử và lỗ trống bằng nhau và được thiết lập bởi sự kích thích nhiệt qua khe năng lượng, với chất bán dẫn ngoại lai (pha tạp), nơi các tạp chất cho hoặc nhận cung cấp các hạt tải điện đa số. Nó bao gồm các mức năng lượng nông của tạp chất cho và nhận, sự ion hóa, các chế độ nhiệt độ đóng băng (freeze-out), ngoại lai (extrinsic) và nội tại (intrinsic), và sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ hạt tải điện. Nó đặt nền tảng cho các chủ đề về thống kê hạt tải điện và mối nối sẽ được đề cập sau.

Core questions

• Các hạt tải điện được tạo ra như thế nào trong một chất bán dẫn tinh khiết, và tại sao nồng độ nội tại lại tăng mạnh theo nhiệt độ?
• Các tạp chất cho và nhận tạo ra vật liệu loại n và loại p như thế nào?
• Tại sao các mức năng lượng tạp chất lại nông, và sự ion hóa thay đổi như thế nào theo nhiệt độ?
• Các chế độ đóng băng (freeze-out), ngoại lai (extrinsic) và nội tại (intrinsic) của nồng độ hạt tải điện là gì?

Key concepts

• Nồng độ hạt tải điện nội tại
• Tạp chất cho và nhận
• Vật liệu loại n và loại p
• Mức tạp chất nông và sự ion hóa
• Các chế độ đóng băng, ngoại lai và nội tại

Clinical relevance

Việc pha tạp có kiểm soát, phân biệt vật liệu ngoại lai với vật liệu nội tại, là cơ sở của tất cả các thiết bị bán dẫn; việc lựa chọn loại và nồng độ tạp chất sẽ thiết lập mật độ hạt tải điện và độ dẫn điện của các vùng tạo thành điốt, tranzito và mạch tích hợp.

History

Vai trò của tạp chất trong dẫn điện bán dẫn đã được làm rõ vào những năm 1930 và 1940, và sự phát triển của việc pha tạp có kiểm soát và tăng trưởng tinh thể đơn tại Bell Labs vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 đã giúp tạo ra vật liệu loại n và loại p có thể tái sản xuất, tạo điều kiện cho tranzito và ngành công nghiệp bán dẫn.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Điều gì làm cho một tạp chất trở thành chất cho hay chất nhận?

Chất cho có nhiều hơn một điện tử hóa trị so với nguyên tử chủ mà nó thay thế, dễ dàng nhường điện tử đó vào vùng dẫn (loại n); chất nhận có ít hơn một điện tử hóa trị, thu giữ một điện tử từ vùng hóa trị và để lại một lỗ trống (loại p).

Tại sao một chất bán dẫn nội tại dẫn điện tốt hơn khi được nung nóng?

Tăng nhiệt độ cung cấp đủ năng lượng cho nhiều điện tử hơn để vượt qua khe năng lượng, làm tăng theo cấp số mũ số lượng cặp điện tử-lỗ trống có sẵn để mang dòng điện, điều này ngược lại với kim loại có độ dẫn điện giảm khi nung nóng.