konduktivitas semikonduktor

Zat yang mampu menghantarkan atau tidak menghantarkan arus listrik tidak terbatas pada pembagian ketat hanya konduktor dan dielektrik. Ada juga semikonduktor, seperti silikon, selenium, germanium, dan mineral serta paduan lainnya yang layak dipisahkan sebagai kelompok terpisah.

Zat-zat ini menghantarkan arus listrik lebih baik daripada dielektrik, tetapi lebih buruk daripada logam, dan konduktivitasnya meningkat dengan meningkatnya suhu atau iluminasi. Karakteristik semikonduktor ini membuatnya dapat diterapkan pada sensor cahaya dan suhu, tetapi aplikasi utamanya masih elektronik.

Jika Anda melihat, misalnya, pada kristal silikon, Anda dapat menemukan bahwa silikon memiliki valensi 4, yaitu pada kulit terluar atomnya terdapat 4 elektron yang terikat pada empat atom silikon tetangga di dalam kristal. Jika kristal seperti itu dipengaruhi oleh panas atau cahaya, elektron valensi akan menerima peningkatan energi dan meninggalkan atomnya, menjadi elektron bebas - gas elektron akan muncul dalam volume terbuka semikonduktor - seperti pada logam, yaitu, maka akan terjadi holding condition.

Tetapi tidak seperti logam, semikonduktor berbeda dalam konduktivitas elektron dan lubangnya. Mengapa ini terjadi dan apa itu? Ketika elektron valensi meninggalkan situsnya, daerah yang kekurangan muatan negatif—“lubang”—terbentuk di situs sebelumnya, yang sekarang memiliki kelebihan muatan positif.

Elektron tetangga akan dengan mudah melompat ke "lubang" yang dihasilkan, dan segera setelah lubang ini diisi dengan elektron yang melompat ke dalamnya, sebuah lubang terbentuk lagi menggantikan elektron yang melompat.

Artinya, ternyata sebuah lubang adalah daerah semikonduktor yang bergerak bermuatan positif. Dan ketika semikonduktor dihubungkan ke rangkaian dengan sumber EMF, elektron akan berpindah ke terminal positif sumber dan lubang ke terminal negatif. Beginilah konduktivitas internal semikonduktor terjadi.

Pergerakan lubang dan elektron konduksi dalam semikonduktor tanpa medan listrik akan kacau. Jika medan listrik eksternal diterapkan pada kristal, maka elektron di dalamnya akan bergerak melawan medan, dan lubang akan bergerak di sepanjang medan, yaitu fenomena konduksi internal akan terjadi pada semikonduktor, yang tidak hanya akan terjadi. disebabkan oleh elektron, tetapi juga oleh lubang.

Dalam semikonduktor, konduksi selalu terjadi hanya di bawah pengaruh beberapa faktor eksternal: akibat iradiasi dengan foton, akibat pengaruh suhu, saat medan listrik diterapkan, dll.

Level Fermi dalam semikonduktor berada di tengah celah pita. Transisi elektron dari pita valensi atas ke pita konduksi bawah membutuhkan energi aktivasi yang sama dengan delta celah pita (lihat gambar). Dan segera setelah sebuah elektron muncul di pita konduksi, sebuah lubang tercipta di pita valensi. Dengan demikian, energi yang dihabiskan dibagi rata selama pembentukan sepasang pembawa arus.

Setengah dari energi (sesuai dengan setengah dari lebar pita) dihabiskan untuk transfer elektron dan setengahnya untuk pembentukan lubang; akibatnya, asalnya sesuai dengan bagian tengah lebar strip. Energi Fermi dalam semikonduktor adalah energi di mana elektron dan lubang tereksitasi Posisi tingkat Fermi terletak untuk semikonduktor di tengah celah pita dapat dikonfirmasi dengan perhitungan matematis, tetapi kami menghilangkan perhitungan matematis di sini.

Di bawah pengaruh faktor eksternal, misalnya, ketika suhu meningkat, getaran termal kisi kristal semikonduktor menyebabkan penghancuran beberapa ikatan valensi, akibatnya beberapa elektron menjadi, terpisah, pembawa muatan bebas. .

Dalam semikonduktor, bersama dengan pembentukan lubang dan elektron, proses rekombinasi terjadi: elektron masuk ke pita valensi dari pita konduksi, memberikan energinya ke kisi kristal dan memancarkan kuanta radiasi elektromagnetik.Dengan demikian, setiap suhu sesuai dengan konsentrasi kesetimbangan lubang dan elektron, yang bergantung pada suhu sesuai dengan ekspresi berikut:

Ada juga pengotor konduktivitas semikonduktor, ketika zat yang sedikit berbeda dimasukkan ke dalam kristal semikonduktor murni yang memiliki valensi lebih tinggi atau lebih rendah dari zat induk.

Jika dalam silikon murni, katakanlah, silikon yang sama, jumlah lubang dan elektron bebasnya sama, yaitu, mereka terbentuk setiap saat berpasangan, maka dalam kasus pengotor yang ditambahkan ke silikon, misalnya arsenik, memiliki a valensi 5, jumlah lubang akan lebih sedikit dari jumlah elektron bebas, yaitu semikonduktor terbentuk dengan sejumlah besar elektron bebas, bermuatan negatif, itu akan menjadi semikonduktor tipe-n (negatif). Dan jika Anda mencampur indium, yang memiliki valensi 3, yang lebih kecil dari silikon, maka akan ada lebih banyak lubang—itu akan menjadi semikonduktor tipe-p (positif).

Sekarang, jika kita membawa semikonduktor dengan konduktivitas berbeda ke dalam kontak, maka pada titik kontak kita mendapatkan sambungan p-n. Elektron yang bergerak dari daerah-n dan lubang yang bergerak dari daerah-p akan mulai bergerak menuju satu sama lain, dan di sisi berlawanan dari kontak akan ada daerah dengan muatan berlawanan (di sisi berlawanan dari pn-junction ): a positif muatan akan terakumulasi di wilayah-n dan muatan negatif di wilayah-p. Bagian kristal yang berbeda sehubungan dengan transisi akan dibebankan secara berlawanan. Posisi ini sangat penting untuk pekerjaan semua orang. perangkat semikonduktor.

Contoh paling sederhana dari perangkat semacam itu adalah dioda semikonduktor, di mana hanya satu sambungan pn yang digunakan, yang cukup untuk mencapai tugas - mengalirkan arus hanya dalam satu arah.

Elektron dari wilayah-n bergerak menuju kutub positif sumber listrik dan lubang dari wilayah-p bergerak menuju kutub negatif. Muatan positif dan negatif yang cukup akan terakumulasi di dekat persimpangan, resistansi persimpangan akan berkurang secara signifikan dan arus akan mengalir melalui rangkaian.

Pada sambungan terbalik dioda, arus akan keluar puluhan ribu kali lebih sedikit, karena elektron dan lubang hanya akan dihembuskan oleh medan listrik ke arah yang berbeda dari persimpangan. Prinsip ini berhasil penyearah dioda.