Arus listrik dalam semikonduktor
Di antara konduktor dan dielektrik, dalam hal resistansi, terletak semikonduktor… Silikon, germanium, telurium, dll. — banyak unsur tabel periodik dan senyawanya tergolong dalam semikonduktor. Banyak zat anorganik adalah semikonduktor. Silikon lebih lebar dari yang lain di alam; kerak bumi terdiri dari 30% darinya.
Perbedaan mencolok utama antara semikonduktor dan logam terletak pada koefisien resistansi temperatur negatif: semakin tinggi temperatur semikonduktor, semakin rendah resistansi listriknya. Untuk logam, kebalikannya: semakin tinggi suhunya, semakin besar resistansinya. Jika semikonduktor didinginkan hingga nol mutlak, itu menjadi dielektrik.
Ketergantungan konduktivitas semikonduktor pada temperatur menunjukkan bahwa konsentrasi supir taksi gratis dalam semikonduktor tidak konstan dan meningkat dengan suhu.Mekanisme aliran arus listrik melalui semikonduktor tidak dapat direduksi menjadi model gas elektron bebas, seperti pada logam. Untuk memahami mekanisme ini, kita dapat melihatnya misalnya pada kristal germanium.
Dalam keadaan normal, atom germanium mengandung empat elektron valensi di kulit terluarnya—empat elektron yang terikat longgar pada nukleus. Selanjutnya, setiap atom dalam kisi kristal germanium dikelilingi oleh empat atom tetangga. Dan ikatan di sini adalah kovalen, artinya dibentuk oleh pasangan elektron valensi.
Ternyata masing-masing elektron valensi milik dua atom pada saat yang sama, dan ikatan elektron valensi di dalam germanium dengan atomnya lebih kuat dari pada logam. Itulah sebabnya, pada suhu kamar, semikonduktor menghantarkan arus beberapa kali lipat lebih buruk daripada logam. Dan pada nol mutlak, semua elektron valensi germanium akan ditempati dalam ikatan dan tidak akan ada elektron bebas yang menyediakan arus.
Dengan meningkatnya suhu, beberapa elektron valensi mendapatkan energi yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalen. Ini adalah bagaimana elektron konduksi bebas muncul. Suatu jenis kekosongan terbentuk di zona pemutusan— lubang tanpa elektron.
Lubang ini dapat dengan mudah ditempati oleh elektron valensi dari pasangan tetangganya, kemudian lubang tersebut akan berpindah tempat pada atom tetangganya. Pada suhu tertentu, sejumlah tertentu yang disebut pasangan elektron-lubang terbentuk di dalam kristal.
Pada saat yang sama, proses rekombinasi elektron-lubang terjadi — pertemuan lubang dengan elektron bebas mengembalikan ikatan kovalen antar atom dalam kristal germanium. Pasangan seperti itu, yang terdiri dari elektron dan lubang, dapat muncul dalam semikonduktor tidak hanya karena aksi suhu, tetapi juga ketika semikonduktor menyala, yaitu karena insiden energi di atasnya. radiasi elektromagnetik.
Jika tidak ada medan listrik eksternal yang diterapkan pada semikonduktor, maka elektron bebas dan lubang terlibat dalam gerakan termal yang kacau. Tetapi ketika semikonduktor ditempatkan di medan listrik eksternal, elektron dan lubang mulai bergerak secara teratur. Begitulah lahirnya arus semikonduktor.
Ini terdiri dari arus elektron dan arus lubang. Dalam semikonduktor, konsentrasi lubang dan elektron konduksi adalah sama, dan hanya dalam semikonduktor murni yang demikian. mekanisme konduksi lubang elektron… Ini adalah konduktivitas listrik intrinsik dari semikonduktor.
Konduksi pengotor (elektron dan lubang)
Jika terdapat pengotor pada semikonduktor, maka konduktivitas listriknya berubah secara signifikan dibandingkan dengan semikonduktor murni. Menambahkan pengotor dalam bentuk fosfor ke kristal silikon, dalam jumlah 0,001 persen atom, akan meningkatkan konduktivitas lebih dari 100.000 kali! Efek signifikan dari pengotor pada konduktivitas dapat dimengerti.
Kondisi utama untuk pertumbuhan konduktivitas pengotor adalah perbedaan antara valensi pengotor dan valensi elemen induk. Konduksi pengotor seperti itu disebut pengotor konduksi dan dapat elektron dan lubang.
Kristal germanium mulai memiliki konduktivitas elektronik jika atom pentavalen, katakanlah, arsenik, dimasukkan ke dalamnya, sedangkan valensi atom germanium itu sendiri adalah empat. Ketika atom arsenik pentavalen menggantikan kisi kristal germanium, empat elektron terluar atom arsenik terlibat dalam ikatan kovalen dengan empat atom germanium tetangga. Elektron kelima atom arsenik menjadi bebas, ia dengan mudah meninggalkan atomnya.
Dan atom yang ditinggalkan elektron berubah menjadi ion positif menggantikan kisi kristal semikonduktor. Inilah yang disebut pengotor donor ketika valensi pengotor lebih besar dari valensi atom utama. Banyak elektron bebas muncul di sini, itulah sebabnya, dengan masuknya pengotor, hambatan listrik semikonduktor turun ribuan dan jutaan kali. Semikonduktor dengan sejumlah besar pengotor tambahan mendekati logam dalam konduktivitas.
Meskipun elektron dan lubang bertanggung jawab atas konduktivitas intrinsik dalam kristal germanium yang didoping arsenik, elektron yang telah meninggalkan atom arsenik adalah pembawa muatan bebas utama. Dalam situasi seperti itu, konsentrasi elektron bebas jauh melebihi konsentrasi lubang, dan jenis konduktivitas ini disebut konduktivitas elektronik semikonduktor, dan semikonduktor itu sendiri disebut semikonduktor tipe-n.
Jika, alih-alih arsenik pentavalen, indium trivalen ditambahkan ke kristal germanium, ia akan membentuk ikatan kovalen dengan hanya tiga atom germanium. Atom germanium keempat akan tetap tidak terikat pada atom indium. Tetapi elektron kovalen dapat ditangkap oleh atom tetangga germanium.Indium kemudian akan menjadi ion negatif, dan atom tetangga germanium akan menempati kekosongan di mana ikatan kovalen ada.
Pengotor seperti itu, ketika atom pengotor menangkap elektron, disebut pengotor akseptor. Ketika pengotor akseptor diperkenalkan, banyak ikatan kovalen yang rusak dalam kristal dan banyak lubang terbentuk di mana elektron dapat melompat dari ikatan kovalen. Dengan tidak adanya arus listrik, lubang bergerak secara acak di atas kristal.
Akseptor menyebabkan peningkatan tajam dalam konduktivitas semikonduktor karena terciptanya banyak lubang, dan konsentrasi lubang ini secara signifikan melebihi konsentrasi elektron dari konduktivitas listrik intrinsik semikonduktor. Ini adalah konduksi lubang dan semikonduktor disebut semikonduktor tipe-p. Pembawa muatan utama di dalamnya adalah lubang.