Was ist Intrinsic Semiconductor – Pure Semiconductor – Definition?

Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsbandwo Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.

Intrinsic Semiconductor – Reiner Halbleiter

Ein intrinsischer Halbleiter ist ein vollständig reiner Halbleiter, ohne dass signifikante Dotierungsspezies vorhanden sind. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Anzahl der Ladungsträger bei einer bestimmten Temperatur wird daher durch die Eigenschaften des Materials selbst anstelle der Menge an Verunreinigungen bestimmt. Es ist zu beachten, dass eine 1 cm ³ -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 4,2 × 10 ²² Atome enthält, aber auch etwa 2,5 × 10 ¹³ freie Elektronen und 2,5 × 10 ¹³ Löcher. Diese Ladungsträger werden durch thermische Anregung erzeugt. In intrinsischen Halbleitern sind die Anzahl der angeregten Elektronen und die Anzahl der Löcher gleich: n = p . Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch(oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Diese Gleichheit kann sogar nach dem Dotieren des Halbleiters der Fall sein, allerdings nur, wenn er mit Donatoren und Akzeptoren gleichermaßen dotiert ist. In diesem Fall gilt immer noch n = p, und der Halbleiter bleibt intrinsisch, obwohl er dotiert ist.

Halbleiter haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (Egap = 5,47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.

Intrinsische Halbleiter sind jedoch nicht sehr nützlich, da sie weder sehr gute Isolatoren noch sehr gute Leiter sind. Ein wichtiges Merkmal von Halbleitern ist jedoch, dass ihre Leitfähigkeit durch Dotieren mit Verunreinigungen und Ansteuern mit elektrischen Feldern erhöht und gesteuert werden kann . Man erinnere sich, dass eine 1 cm ³ -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 4,2 × 10 ²² Atome enthält, aber auch etwa 2,5 × 10 ¹³ freie Elektronen und 2,5 × 10 ¹³ Löcher, die konstant aus thermischer Energie erzeugt werden. Die Gesamtabsorption eines 1-MeV-Photons erzeugt etwa 3 × 10 ⁵ Elektronenlochpaare . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger in 1 cm ³ geringintrinsischer Halbleiter. Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁷ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. Bei dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist, müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Durch Dotierung und Ansteuerung wird entweder das Leitungs- oder das Valenzband viel näher an das Fermi-Niveau herangeführt und die Anzahl der teilweise gefüllten Zustände stark erhöht.