Apa yang menciptakan arus listrik dalam semikonduktor. Arus listrik dalam semikonduktor

Dalam semikonduktor, ini adalah pergerakan lubang dan elektron yang diarahkan, yang dipengaruhi oleh medan listrik.

Sebagai hasil dari percobaan, dicatat bahwa arus listrik dalam semikonduktor tidak disertai dengan transfer materi - mereka tidak mengalami perubahan kimia apa pun. Dengan demikian, elektron dapat dianggap sebagai pembawa arus dalam semikonduktor.

Kemampuan suatu bahan untuk membentuk arus listrik di dalamnya dapat ditentukan.Menurut indikator ini, konduktor menempati posisi perantara antara konduktor dan dielektrik. Semikonduktor adalah berbagai jenis mineral, beberapa logam, logam sulfida, dll. Arus listrik pada semikonduktor timbul karena adanya konsentrasi elektron bebas, yang dapat bergerak searah dalam suatu zat. Membandingkan logam dan konduktor, dapat dicatat bahwa ada perbedaan antara efek suhu pada konduktivitasnya. Peningkatan suhu menyebabkan penurunan Dalam semikonduktor, indeks konduktivitas meningkat. Jika suhu di dalam semikonduktor meningkat, maka pergerakan elektron bebas akan semakin kacau. Ini karena meningkatnya jumlah tabrakan. Namun, dalam semikonduktor, dibandingkan dengan logam, konsentrasi elektron bebas meningkat secara signifikan. Faktor-faktor ini memiliki efek yang berlawanan pada konduktivitas: semakin banyak tumbukan, semakin rendah konduktivitas, semakin besar konsentrasi, semakin tinggi. Dalam logam, tidak ada hubungan antara suhu dan konsentrasi elektron bebas, sehingga dengan perubahan konduktivitas dengan meningkatnya suhu, kemungkinan pergerakan elektron bebas yang teratur hanya berkurang. Berkenaan dengan semikonduktor, efek peningkatan konsentrasi lebih tinggi. Jadi, semakin tinggi suhunya, semakin besar konduktivitasnya.

Ada hubungan antara pergerakan pembawa muatan dan konsep seperti arus listrik dalam semikonduktor. Dalam semikonduktor, penampilan pembawa muatan dicirikan oleh berbagai faktor, di antaranya suhu dan kemurnian material sangat penting. Dengan kemurnian, semikonduktor dibagi menjadi pengotor dan intrinsik.

Adapun konduktor intrinsik, pengaruh kotoran pada suhu tertentu tidak dapat dianggap signifikan bagi mereka. Karena celah pita dalam semikonduktor kecil, dalam semikonduktor intrinsik, ketika suhu mencapai, pita valensi terisi penuh dengan elektron. Tetapi pita konduksi benar-benar bebas: tidak ada konduktivitas listrik di dalamnya, dan pita ini berfungsi sebagai dielektrik yang sempurna. Pada suhu lain, ada kemungkinan bahwa selama fluktuasi termal elektron tertentu dapat mengatasi penghalang potensial dan menemukan diri mereka di pita konduksi.

Efek Thomson

Prinsip efek termoelektrik Thomson: ketika arus listrik dilewatkan dalam semikonduktor di mana ada gradien suhu, selain panas Joule, sejumlah panas tambahan akan dilepaskan atau diserap di dalamnya, tergantung pada arah di mana arus mengalir.

Pemanasan sampel yang tidak cukup seragam yang memiliki struktur homogen mempengaruhi sifat-sifatnya, akibatnya zat menjadi tidak homogen. Jadi, fenomena Thomson adalah fenomena Pelte yang spesifik. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa bukan komposisi kimia sampel yang berbeda, tetapi eksentrisitas suhu menyebabkan ketidakhomogenan ini.

Semikonduktor adalah zat yang memiliki daya hantar listrik menengah antara konduktor yang baik dan isolator yang baik (dielektrik).

Semikonduktor juga merupakan unsur kimia (germanium Ge, silikon Si, selenium Se, telurium Te), dan senyawa unsur kimia (PbS, CdS, dll.).

Sifat pembawa arus dalam semikonduktor yang berbeda berbeda. Dalam beberapa dari mereka, pembawa muatan adalah ion; di tempat lain, pembawa muatan adalah elektron.

Konduktivitas intrinsik semikonduktor

Ada dua jenis konduksi intrinsik dalam semikonduktor: konduksi elektronik dan konduksi lubang dalam semikonduktor.

1. Konduktivitas elektronik semikonduktor.

Konduktivitas elektronik dilakukan dengan gerakan terarah dalam ruang interatomik elektron bebas yang telah meninggalkan kulit valensi atom sebagai akibat dari pengaruh eksternal.

2. Konduktivitas lubang semikonduktor.

Konduksi lubang dilakukan dengan pergerakan elektron valensi yang terarah ke tempat-tempat kosong pada ikatan pasangan elektron - lubang. Elektron valensi atom netral yang terletak di dekat ion positif (lubang) tertarik ke lubang dan melompat ke dalamnya. Dalam hal ini, ion positif (lubang) terbentuk di tempat atom netral, dan atom netral terbentuk di tempat ion positif (lubang).

Dalam semikonduktor murni idealnya tanpa pengotor asing, setiap elektron bebas sesuai dengan pembentukan satu lubang, yaitu. jumlah elektron dan lubang yang terlibat dalam penciptaan arus adalah sama.

Konduktivitas di mana jumlah pembawa muatan yang sama (elektron dan lubang) terjadi disebut konduktivitas intrinsik semikonduktor.

Konduktivitas intrinsik semikonduktor biasanya kecil, karena jumlah elektron bebasnya kecil. Jejak pengotor sekecil apa pun secara radikal mengubah sifat semikonduktor.

Konduktivitas listrik semikonduktor dengan adanya kotoran

Kotoran dalam semikonduktor adalah atom unsur kimia asing yang tidak terkandung dalam semikonduktor utama.

Konduktivitas pengotor- ini adalah konduktivitas semikonduktor, karena masuknya pengotor ke dalam kisi kristalnya.

Dalam beberapa kasus, pengaruh pengotor memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa mekanisme konduksi "lubang" menjadi hampir tidak mungkin, dan arus dalam semikonduktor dilakukan terutama oleh pergerakan elektron bebas. Semikonduktor semacam itu disebut semikonduktor elektronik atau semikonduktor tipe-n(dari kata Latin negativus - negatif). Pembawa muatan utama adalah elektron, dan bukan yang utama adalah lubang. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor dengan pengotor donor.

1. Donor kotoran.

Pengotor donor adalah mereka yang mudah menyumbangkan elektron dan, akibatnya, meningkatkan jumlah elektron bebas. Pengotor donor memasok elektron konduksi tanpa munculnya jumlah lubang yang sama.

Contoh tipikal pengotor donor dalam germanium Ge tetravalen adalah atom arsenik pentavalen As.

Dalam kasus lain, pergerakan elektron bebas menjadi hampir tidak mungkin, dan arus hanya dilakukan oleh pergerakan lubang. Semikonduktor ini disebut semikonduktor lubang atau semikonduktor tipe-p(dari kata Latin positivus - positif). Pembawa muatan utama adalah lubang, dan bukan elektron utama. . Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor dengan pengotor akseptor.

Pengotor akseptor adalah pengotor yang tidak memiliki cukup elektron untuk membentuk ikatan pasangan elektron normal.

Contoh pengotor akseptor dalam germanium Ge adalah atom galium trivalen Ga

Arus listrik melalui kontak semikonduktor p-n junction tipe-p dan tipe-n adalah lapisan kontak dari dua semikonduktor pengotor tipe-p dan tipe-n; Persimpangan p-n adalah batas yang memisahkan daerah dengan konduksi hole (p) dan konduksi elektronik (n) dalam kristal tunggal yang sama.

sambungan p-n langsung

Jika n-semikonduktor terhubung ke kutub negatif dari sumber listrik, dan kutub positif dari sumber listrik terhubung ke p-semikonduktor, maka di bawah aksi medan listrik, elektron di n-semikonduktor dan lubang di p-semikonduktor akan bergerak menuju satu sama lain ke antarmuka semikonduktor. Elektron, melintasi batas, "mengisi" lubang, arus melalui persimpangan pn dilakukan oleh pembawa muatan utama. Akibatnya, konduktivitas seluruh sampel meningkat. Dengan arah langsung (throughput) medan listrik eksternal, ketebalan lapisan penghalang dan resistansi berkurang.

Dalam arah ini, arus melewati batas dua semikonduktor.

Persimpangan pn terbalik

Jika n-semikonduktor terhubung ke kutub positif dari sumber listrik, dan p-semikonduktor terhubung ke kutub negatif dari sumber listrik, maka elektron di n-semikonduktor dan lubang di p-semikonduktor di bawah aksi medan listrik akan bergerak dari antarmuka dalam arah yang berlawanan, arus melalui p-n-transisi dilakukan oleh pembawa muatan kecil. Hal ini menyebabkan penebalan lapisan penghalang dan peningkatan ketahanannya. Akibatnya, konduktivitas sampel menjadi tidak signifikan, dan resistansinya besar.

Lapisan penghalang yang disebut terbentuk. Dengan arah medan eksternal ini, arus listrik praktis tidak melewati kontak semikonduktor p- dan n.

Dengan demikian, transisi elektron-lubang memiliki konduksi satu sisi.

Ketergantungan arus pada karakteristik tegangan - volt - arus dari sambungan p-n ditunjukkan pada gambar (karakteristik volt - arus dari sambungan p-n langsung ditunjukkan oleh garis padat, karakteristik volt - ampere dari sambungan p-n terbalik ditunjukkan dengan garis putus-putus).

Semikonduktor:

Dioda semikonduktor - untuk penyearah arus bolak-balik, ia menggunakan satu p - n - junction dengan resistansi berbeda: dalam arah maju, resistansi p - n - junction jauh lebih kecil daripada di arah sebaliknya.

Fotoresistor - untuk pendaftaran dan pengukuran fluks cahaya lemah. Dengan bantuan mereka, tentukan kualitas permukaan, kendalikan dimensi produk.

Termistor - untuk pengukuran suhu jarak jauh, alarm kebakaran.

Semikonduktor- ini adalah zat di mana resistivitas dapat bervariasi pada rentang yang luas dan menurun dengan sangat cepat dengan meningkatnya suhu., yang berarti bahwa konduktivitas listrik (1 / R) meningkat.
- diamati dalam silikon, germanium, selenium dan beberapa senyawa.

Mekanisme konduksi semikonduktor

Kristal semikonduktor memiliki kisi kristal atom, di mana elektron terluar terikat pada atom tetangga dengan ikatan kovalen.

Pada suhu rendah, semikonduktor murni tidak memiliki elektron bebas dan berperilaku seperti dielektrik.

Semikonduktor murni (tidak ada kotoran)

Jika semikonduktor itu murni (tanpa pengotor), maka ia memiliki memiliki konduktivitas, yang kecil.

Ada dua jenis konduksi intrinsik:

1 elektronik(konduktivitas "n" - tipe)

Pada suhu rendah dalam semikonduktor, semua elektron berasosiasi dengan inti dan resistansinya besar; ketika suhu meningkat, energi kinetik partikel meningkat, ikatan putus dan elektron bebas muncul - resistansi berkurang.
Elektron bebas bergerak berlawanan dengan vektor kuat medan listrik.
Konduktivitas elektronik semikonduktor disebabkan oleh adanya elektron bebas.

2. berlubang(konduktivitas "p"-jenis)

Dengan peningkatan suhu, ikatan kovalen antara atom dihancurkan, dilakukan oleh elektron valensi, dan tempat-tempat dengan elektron yang hilang terbentuk - sebuah "lubang".
Itu bisa bergerak di seluruh kristal, karena. tempatnya dapat digantikan oleh elektron valensi. Memindahkan "lubang" sama dengan memindahkan muatan positif.
Lubang bergerak searah dengan vektor kuat medan listrik.

Selain pemanasan, pemutusan ikatan kovalen dan munculnya konduktivitas intrinsik semikonduktor dapat disebabkan oleh iluminasi (fotokonduktivitas) dan aksi medan listrik yang kuat.

Konduktivitas total semikonduktor murni adalah jumlah konduktivitas tipe "p" dan "n"
dan disebut konduktivitas lubang elektron.

Semikonduktor dengan adanya pengotor

Mereka punya sendiri + kotoran daya konduksi
Kehadiran pengotor sangat meningkatkan konduktivitas.
Ketika konsentrasi pengotor berubah, jumlah pembawa arus listrik - elektron dan lubang - berubah.
Kemampuan untuk mengontrol arus mendasari meluasnya penggunaan semikonduktor.

Ada:

1)penyumbang kotoran (mengeluarkan)

Mereka adalah pemasok tambahan elektron ke kristal semikonduktor, dengan mudah menyumbangkan elektron dan meningkatkan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor.
Ini adalah konduktor "n" - ketik, yaitu semikonduktor dengan pengotor donor, di mana pembawa muatan utama adalah elektron, dan minoritas adalah lubang.
Semikonduktor semacam itu memiliki konduktivitas pengotor elektronik.

Misalnya, arsenik.

2. akseptor kotoran (inang)

Mereka menciptakan "lubang" dengan mengambil elektron ke dalam diri mereka sendiri.
Ini adalah semikonduktor "p" - ketik, itu. semikonduktor dengan pengotor akseptor, di mana pembawa muatan utama adalah lubang, dan minoritas adalah elektron.
Semikonduktor semacam itu memiliki konduktivitas pengotor lubang.

Misalnya, indium.

Sifat listrik persimpangan "p-n"

transisi "p-n"(atau transisi elektron-lubang) - bidang kontak dua semikonduktor, di mana konduktivitas berubah dari elektronik ke lubang (atau sebaliknya).

Dalam kristal semikonduktor, daerah seperti itu dapat dibuat dengan memasukkan pengotor. Di zona kontak dua semikonduktor dengan konduktivitas yang berbeda, difusi timbal balik akan terjadi. elektron dan lubang, dan lapisan listrik pemblokiran terbentuk. Medan listrik lapisan pemblokiran mencegah transisi lebih lanjut dari elektron dan lubang melalui batas. Lapisan penghalang memiliki resistensi yang meningkat dibandingkan dengan area semikonduktor lainnya.

Medan listrik eksternal mempengaruhi resistansi lapisan penghalang.
Dengan arah langsung (transmisi) medan listrik eksternal, arus listrik melewati batas dua semikonduktor.
Karena elektron dan lubang bergerak menuju satu sama lain ke antarmuka, kemudian elektron, melintasi antarmuka, mengisi lubang. Ketebalan lapisan penghalang dan ketahanannya terus menurun.

Mode akses p-n transisi:

Dengan adanya pemblokiran (mundur) arah medan listrik luar, arus listrik tidak akan melewati bidang kontak kedua semikonduktor tersebut.
Karena elektron dan lubang bergerak dari batas ke arah yang berlawanan, kemudian lapisan pemblokiran menebal, resistansinya meningkat.

Mode pemblokiran transisi p-n.

>>Fisika: Arus listrik dalam semikonduktor

Apa perbedaan utama antara semikonduktor dan konduktor? Fitur struktural semikonduktor apa yang memberi mereka akses ke semua perangkat radio, televisi, dan komputer?
Perbedaan antara konduktor dan semikonduktor sangat jelas ketika menganalisis ketergantungan konduktivitas listrik mereka pada suhu. Studi menunjukkan bahwa untuk sejumlah elemen (silikon, germanium, selenium, dll.) dan senyawa (PbS, CdS, GaAs, dll.), resistivitas tidak meningkat dengan meningkatnya suhu, seperti pada logam ( gambar.16.3), tetapi, sebaliknya, menurun sangat tajam ( gambar.16.4). Zat seperti itu disebut semikonduktor.

Dari grafik yang ditunjukkan pada gambar, dapat dilihat bahwa pada suhu mendekati nol mutlak, resistivitas semikonduktor sangat tinggi. Ini berarti bahwa pada suhu rendah semikonduktor berperilaku seperti isolator. Ketika suhu naik, resistivitasnya menurun dengan cepat.
Struktur semikonduktor. Untuk menyalakan penerima transistor, Anda tidak perlu tahu apa-apa. Tapi untuk membuatnya, seseorang harus tahu banyak dan memiliki bakat yang luar biasa. Untuk memahami secara umum cara kerja transistor tidak begitu sulit. Pertama, Anda perlu berkenalan dengan mekanisme konduksi dalam semikonduktor. Dan untuk ini Anda harus menyelidiki sifat koneksi memegang atom kristal semikonduktor di samping satu sama lain.
Misalnya, pertimbangkan kristal silikon.
Silikon adalah elemen tetravalen. Ini berarti bahwa ada empat elektron di kulit terluar atomnya, yang terikat lemah pada nukleus. Jumlah tetangga terdekat dari setiap atom silikon juga empat. Diagram struktur kristal silikon ditunjukkan pada Gambar 16.5.

Interaksi pasangan atom tetangga dilakukan dengan menggunakan ikatan pasangan elektron, yang disebut Ikatan kovalen. Dalam pembentukan ikatan ini, satu elektron valensi berpartisipasi dari setiap atom, yang terpisah dari atom tempatnya (dikumpulkan oleh kristal) dan, selama pergerakannya, menghabiskan sebagian besar waktunya di ruang antara atom tetangga. Muatan negatifnya membuat ion silikon positif saling berdekatan.
Seseorang seharusnya tidak berpikir bahwa pasangan elektron yang terkumpul hanya dimiliki oleh dua atom. Setiap atom membentuk empat ikatan dengan tetangganya, dan setiap elektron valensi dapat bergerak di sepanjang salah satunya. Setelah mencapai atom tetangga, ia dapat melanjutkan ke yang berikutnya, dan kemudian lebih jauh di sepanjang seluruh kristal. Elektron valensi milik seluruh kristal.
Ikatan pasangan elektron dalam kristal silikon cukup kuat dan tidak putus pada suhu rendah. Oleh karena itu, silikon tidak menghantarkan listrik pada suhu rendah. Elektron valensi yang terlibat dalam ikatan atom, seolah-olah, adalah "larutan penyemenan" yang menahan kisi kristal, dan medan listrik eksternal tidak memiliki efek nyata pada pergerakannya. Kristal germanium memiliki struktur yang serupa.
konduktivitas elektronik. Ketika silikon dipanaskan, energi kinetik partikel meningkat, dan ikatan individu putus. Beberapa elektron meninggalkan "jalurnya" dan menjadi bebas, seperti elektron dalam logam. Dalam medan listrik, mereka bergerak di antara simpul kisi, menciptakan arus listrik ( gambar.16.6).

Konduktivitas semikonduktor karena adanya elektron bebas di dalamnya disebut konduktivitas elektronik. Ketika suhu naik, jumlah ikatan yang putus, dan karenanya jumlah elektron bebas, meningkat. Ketika dipanaskan dari 300 menjadi 700 K, jumlah pembawa muatan bebas meningkat dari 10 17 menjadi 10 24 1/m 3 . Hal ini menyebabkan penurunan resistensi.
konduksi lubang. Ketika ikatan putus antara atom semikonduktor, kekosongan terbentuk dengan elektron yang hilang. Dia dipanggil lubang. Lubang memiliki muatan positif berlebih dibandingkan dengan sisa ikatan yang tidak terputus (lihat Gambar 16.6).
Posisi lubang di kristal tidak tetap. Proses berikut terus berlangsung. Salah satu elektron yang menyediakan hubungan antar atom melompat ke tempat lubang yang terbentuk dan mengembalikan ikatan pasangan elektron di sini, dan dari mana elektron ini melompat, terbentuklah lubang baru. Dengan demikian, lubang dapat bergerak di seluruh kristal.
Jika kuat medan listrik dalam sampel adalah nol, maka pergerakan lubang, yang setara dengan pergerakan muatan positif, terjadi secara acak dan oleh karena itu tidak menimbulkan arus listrik. Di hadapan medan listrik, gerakan lubang yang teratur terjadi, dan, dengan demikian, arus listrik yang terkait dengan pergerakan lubang ditambahkan ke arus listrik elektron bebas. Arah pergerakan hole berlawanan dengan arah pergerakan elektron ( gambar.16.7).

Dengan tidak adanya medan eksternal, ada satu lubang (+) untuk satu elektron bebas (-). Ketika medan diterapkan, elektron bebas dipindahkan melawan kekuatan medan. Salah satu elektron terikat juga bergerak ke arah ini. Sepertinya lubang itu bergerak ke arah lapangan.
Jadi, dalam semikonduktor ada dua jenis pembawa muatan: elektron dan lubang. Oleh karena itu, semikonduktor tidak hanya memiliki elektronik, tetapi juga konduktivitas lubang.
Kami telah mempertimbangkan mekanisme konduksi dalam semikonduktor murni. Konduktivitas dalam kondisi ini disebut konduktivitas sendiri semikonduktor.
Konduktivitas semikonduktor murni (konduktivitas intrinsik) dilakukan oleh pergerakan elektron bebas (konduksi elektronik) dan pergerakan elektron terikat ke tempat kosong ikatan pasangan elektron (konduksi lubang).

???
1. Ikatan apa yang disebut kovalen?
2. Apa perbedaan antara ketergantungan resistansi semikonduktor dan logam pada suhu?
3. Pembawa muatan seluler apa yang ada dalam semikonduktor murni?
4. Apa yang terjadi jika elektron bertemu dengan lubang?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fisika Kelas 10

Isi pelajaran ringkasan pelajaran mendukung bingkai pelajaran presentasi metode akselerasi teknologi interaktif Praktik tugas dan latihan ujian mandiri lokakarya, pelatihan, kasus, pencarian pekerjaan rumah pertanyaan diskusi pertanyaan retoris dari siswa Ilustrasi audio, klip video, dan multimedia foto, gambar grafik, tabel, skema humor, anekdot, lelucon, perumpamaan komik, ucapan, teka-teki silang, kutipan Add-on abstrak chip artikel untuk lembar contekan yang ingin tahu, buku teks dasar dan glosarium tambahan istilah lainnya Memperbaiki buku pelajaran dan pelajaranmengoreksi kesalahan dalam buku teks memperbarui fragmen dalam buku teks elemen inovasi dalam pelajaran menggantikan pengetahuan usang dengan yang baru Hanya untuk guru pelajaran yang sempurna rencana kalender untuk tahun rekomendasi metodologis dari program diskusi Pelajaran Terintegrasi

Jika Anda memiliki koreksi atau saran untuk pelajaran ini,

Transportasi pembawa dalam semikonduktor

pengantar

Pembawa arus dalam semikonduktor adalah elektron dan hole. Pembawa arus bergerak dalam medan periodik atom kristal seolah-olah mereka adalah partikel bebas. Efek potensial periodik hanya mempengaruhi massa pembawa. Artinya, di bawah aksi potensial periodik, massa pembawa berubah. Dalam hal ini, fisika keadaan padat memperkenalkan konsep massa efektif elektron dan lubang. Energi rata-rata gerak termal elektron dan hole sama dengan kT/2 untuk setiap derajat kebebasan. Kecepatan termal elektron dan lubang pada suhu kamar adalah sekitar 107 cm/s.

Jika medan listrik diterapkan pada semikonduktor, maka medan ini akan menyebabkan penyimpangan pembawa arus. Dalam hal ini, kecepatan pembawa pertama-tama akan meningkat dengan peningkatan medan, mencapai nilai rata-rata kecepatan, dan kemudian berhenti berubah, karena pembawa tersebar. Hamburan disebabkan oleh cacat, kotoran, dan emisi atau penyerapan fonon. Alasan utama hamburan pembawa adalah muatan pengotor dan getaran termal atom kisi (penyerapan / emisi fonon). Interaksi dengan mereka menyebabkan perubahan tajam dalam kecepatan pembawa dan arah gerakan mereka. Perubahan arah kecepatan pembawa adalah acak. Mekanisme tambahan untuk hamburan pembawa arus adalah hamburan pembawa pada permukaan semikonduktor.

Di hadapan medan listrik eksternal, sifat acak dari pergerakan pembawa dalam semikonduktor ditumpangkan oleh pergerakan pembawa yang diarahkan di bawah aksi medan dalam interval antara tumbukan. Dan meskipun fakta bahwa kecepatan gerakan acak pembawa dapat berkali-kali melebihi kecepatan gerakan terarah pembawa di bawah aksi medan listrik, komponen acak dari gerakan pembawa dapat diabaikan, karena dengan gerakan acak yang dihasilkan aliran pembawa adalah nol. Percepatan pembawa di bawah aksi medan eksternal mematuhi hukum dinamika Newton. Hamburan menyebabkan perubahan tajam dalam arah gerakan dan besarnya kecepatan, tetapi setelah hamburan, gerakan partikel yang dipercepat di bawah aksi medan dilanjutkan.

Efek bersih dari tumbukan adalah partikel tidak berakselerasi, tetapi partikel dengan cepat mencapai kecepatan gerak yang konstan. Ini setara dengan memasukkan komponen perlambatan ke dalam persamaan gerak partikel yang dicirikan oleh konstanta waktu t. Selama periode waktu ini, partikel kehilangan momentum mv ditentukan oleh kecepatan rata-rata v. Untuk partikel yang memiliki percepatan konstan antara tumbukan, konstanta waktu ini sama dengan waktu antara dua tumbukan yang berurutan. Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci mekanisme transportasi pembawa arus dalam semikonduktor.

melayangsaat ini(Arus Drift)

Gerakan drift pembawa dalam semikonduktor di bawah aksi medan listrik dapat diilustrasikan oleh Gambar XXX. Medan memberi tahu operator kecepatan v.

Ara. Pergerakan kapal induk di bawah aksi lapangan .

Jika kita berasumsi bahwa semua pembawa dalam semikonduktor bergerak dengan kecepatan yang sama v, maka arus dapat dinyatakan sebagai rasio total muatan yang ditransfer antara elektroda dengan waktu t r melewatkan muatan ini dari satu elektroda ke elektroda lain, atau:

di mana L – jarak antar elektroda.

Kerapatan arus sekarang dapat dinyatakan dalam konsentrasi pembawa arus n dalam semikonduktor:

di mana TETAPI adalah luas penampang semikonduktor.

Mobilitas

Sifat pergerakan pembawa arus dalam semikonduktor tanpa adanya medan dan di bawah aksi medan listrik eksternal ditunjukkan pada Gambar XXX. Seperti yang telah dicatat, kecepatan termal elektron berada pada urutan 107 cm/s, dan jauh lebih tinggi daripada kecepatan drift elektron.

Ara. Sifat acak dari gerakan pembawa arus dalam semikonduktor dengan tidak adanya dan adanya medan eksternal.

Pertimbangkan gerakan pembawa hanya di bawah aksi medan listrik. Menurut hukum Newton:

di mana gaya mencakup dua komponen - gaya elektrostatik dan dikurangi gaya yang menyebabkan hilangnya momentum selama hamburan, dibagi dengan waktu antara tumbukan:

Menyamakan ekspresi ini dan menggunakan ekspresi untuk kecepatan rata-rata, kita mendapatkan:

Mari kita pertimbangkan hanya kasus stasioner, ketika partikel telah dipercepat dan mencapai kecepatan konstan rata-rata. Dalam pendekatan ini, kecepatan sebanding dengan kuat medan listrik. Koefisien proporsionalitas antara nilai-nilai terakhir didefinisikan sebagai mobilitas:

Mobilitas berbanding terbalik dengan massa pembawa dan berbanding lurus dengan jalur bebas rata-rata.

Kerapatan arus drift dapat ditulis sebagai fungsi mobilitas:

Seperti yang telah dicatat, dalam semikonduktor, massa pembawa tidak sama dengan massa elektron dalam ruang hampa, m dan rumus mobilitas harus menggunakan massa efektif, m * :

Difusi pembawa arus dalam semikonduktor.

Arus difusi

Jika tidak ada medan listrik eksternal dalam semikonduktor, maka ada pergerakan acak pembawa arus - elektron dan lubang di bawah aksi energi panas. Gerakan acak ini tidak mengarah pada gerakan terarah pembawa dan pembentukan arus. Selalu alih-alih pembawa yang meninggalkan tempat mana pun, yang lain akan datang menggantikannya. Dengan demikian, kerapatan pembawa yang seragam dipertahankan di seluruh volume semikonduktor.

Tetapi situasinya berubah jika pembawa didistribusikan secara tidak merata di seluruh volume, mis. ada gradien konsentrasi. Dalam hal ini, di bawah aksi gradien konsentrasi, gerakan pembawa yang diarahkan terjadi - difusi dari daerah di mana konsentrasinya lebih tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah. Gerakan terarah pembawa bermuatan di bawah aksi difusi menciptakan arus difusi. Mari kita pertimbangkan efek ini secara lebih rinci.

Kami memperoleh hubungan untuk arus difusi. Kami akan melanjutkan dari fakta bahwa gerakan terarah pembawa di bawah aksi gradien konsentrasi terjadi sebagai akibat dari gerakan termal (pada suhu
menurut Kelvin, untuk setiap derajat kebebasan partikel, ada energi
), yaitu difusi tidak ada pada suhu nol (carrier drift juga dimungkinkan pada 0K).

Terlepas dari kenyataan bahwa sifat acak dari pergerakan pembawa di bawah aksi panas memerlukan pendekatan statistik, penurunan formula untuk arus difusi akan didasarkan pada penggunaan nilai rata-rata yang mencirikan proses. Hasilnya sama.

Mari kita perkenalkan nilai rata-rata - kecepatan termal rata-rata v th, waktu rata-rata antara tumbukan,  , dan jalur bebas rata-rata, aku. Kecepatan termal rata-rata dapat diarahkan ke arah positif dan negatif. Besaran-besaran ini saling berhubungan oleh relasi

Pertimbangkan situasi dengan distribusi elektron yang tidak homogen n(x) (lihat Gambar XXX).

Ara. satu Profil densitas pembawa digunakan untuk mendapatkan ekspresi difusi saat ini

Pertimbangkan aliran elektron melalui bidang dengan koordinat x = 0. Operator datang ke pesawat ini dari sisi kiri koordinat x = - aku, dan ke kanan dari sisi koordinat x = aku. Aliran elektron dari kiri ke kanan adalah

di mana koefisien berarti bahwa setengah dari elektron berada di bidang dengan koordinat x = - aku bergerak ke kiri dan setengah lainnya bergerak ke kanan. Demikian pula, aliran elektron melalui x = 0 datang dari sisi kanan x = + aku akan sama dengan:

Aliran total elektron yang melewati bidang x = 0 dari kiri ke kanan, akan menjadi:

Dengan asumsi bahwa jalur bebas rata-rata elektron cukup kecil, kita dapat menuliskan perbedaan konsentrasi elektron ke kanan dan kiri koordinat x = 0 melalui rasio perbedaan konsentrasi dengan jarak antara pesawat, yaitu melalui turunan:

Rapat arus elektron akan sama dengan:

Biasanya, produk dari kecepatan termal dan jalur bebas rata-rata digantikan oleh faktor tunggal, yang disebut koefisien difusi elektron, D n .

Hubungan serupa juga dapat ditulis untuk arus difusi lubang:

Hanya perlu diingat bahwa muatan lubang adalah positif.

Ada hubungan antara koefisien difusi dan mobilitas. Meskipun pada pandangan pertama tampaknya koefisien ini tidak boleh berhubungan, karena difusi pembawa disebabkan oleh gerakan termal, dan penyimpangan pembawa disebabkan oleh medan listrik eksternal. Namun, salah satu parameter utama, waktu antara tumbukan, tidak boleh bergantung pada penyebab yang menyebabkan pengangkut bergerak.

Kami menggunakan definisi kecepatan termal sebagai,

dan kesimpulan termodinamika bahwa untuk setiap derajat kebebasan gerak elektron terdapat energi panas kT/2, sama dengan kinetik:

Dari hubungan ini, seseorang dapat memperoleh produk dari kecepatan termal dan jalur bebas rata-rata, yang dinyatakan dalam mobilitas pembawa:

Tetapi kita telah mendefinisikan produk dari kecepatan termal dan jalur bebas rata-rata sebagai koefisien difusi. Kemudian hubungan terakhir untuk elektron dan lubang dapat ditulis dalam bentuk berikut: