Dengan penemuan semikonduktor dan mempelajari sifat-sifatnya, menjadi mungkin untuk membuat sirkuit berdasarkan dioda dan transistor. Segera, karena kinerja yang lebih baik dan ukuran yang lebih kecil, mereka mengganti tabung vakum, kemudian menjadi mungkin untuk memproduksi sirkuit terpadu berdasarkan elemen semikonduktor.

Apa itu semikonduktor?

Mendefinisikan semikonduktor berarti mengkarakterisasi mereka dalam hal kemampuannya untuk menghantarkan arus listrik. Untuk zat kristal ini, konduktivitas listrik meningkat dengan meningkatnya suhu, paparan cahaya, dan adanya berbagai kotoran.

Semikonduktor adalah celah lebar dan celah sempit, yang menentukan sifat bahan semikonduktor. Celah pita, diukur dalam volt elektron (eV), menentukan konduktivitas listrik. Parameter ini dapat direpresentasikan sebagai energi yang dibutuhkan elektron untuk menembus zona arus listrik. Rata-rata, untuk semikonduktor, itu adalah 1 eV, bisa lebih atau kurang.

Jika keteraturan kisi kristal semikonduktor dilanggar oleh atom asing, maka konduktivitas tersebut akan menjadi pengotor. Ketika zat semikonduktor dimaksudkan untuk membuat elemen sirkuit mikro, pengotor secara khusus ditambahkan ke dalamnya, yang membentuk akumulasi lubang atau elektron yang meningkat:

• donor - dengan valensi lebih tinggi, sumbangkan elektron;
• akseptor - dengan valensi yang lebih rendah, mengambil elektron, membentuk lubang.

Penting! Faktor utama yang mempengaruhi konduktivitas listrik konduktor adalah suhu.

Bagaimana konduktivitas disediakan?

Contoh semikonduktor adalah silikon, germanium. Dalam kristal zat ini, atom memiliki ikatan kovalen. Saat suhu naik, beberapa elektron dapat dilepaskan. Atom yang kehilangan elektron kemudian menjadi ion bermuatan positif. Dan elektron, yang tidak dapat berpindah ke atom lain karena kejenuhan ikatan, ternyata bebas. Di bawah pengaruh medan listrik, elektron yang dilepaskan dapat bergerak dalam aliran yang terarah.

Ion yang kehilangan elektron cenderung "mengambil" yang lain dari atom terdekat. Jika dia berhasil, maka atom ini sudah akan dihentikan oleh ion, pada gilirannya, mencoba menggantikan elektron yang hilang. Dengan demikian, ada pergerakan "lubang" (muatan positif), yang juga dapat diatur dalam medan listrik.

Temperatur yang meningkat memungkinkan elektron dilepaskan dengan lebih energik, yang menyebabkan penurunan resistansi semikonduktor dan peningkatan konduktivitas. Elektron dan lubang terkait kira-kira dalam proporsi yang sama dalam kristal murni, konduktivitas seperti itu disebut intrinsik.

konduktivitas tipe-p dan tipe-n

Jenis pengotor konduktivitas dibagi menjadi:

1. tipe-R. Dibentuk pada penambahan pengotor akseptor. Valensi pengotor yang lebih rendah menyebabkan pembentukan jumlah lubang yang meningkat. Untuk silikon tetravalen, boron trivalen dapat berfungsi sebagai pengotor;
2. tipe-N. Jika antimon pentavalen ditambahkan ke silikon, maka jumlah elektron pembawa muatan negatif yang dilepaskan dalam semikonduktor akan meningkat.

Elemen semikonduktor terutama berfungsi berdasarkan fitur sambungan p-n. Ketika dua bahan dengan jenis konduktivitas yang berbeda dibawa ke dalam kontak, pada batas antara mereka, elektron dan lubang akan saling menembus ke zona yang berlawanan.

Penting! Proses pertukaran bahan semikonduktor oleh pembawa muatan positif dan negatif memiliki batas waktu - sebelum pembentukan lapisan penghalang.

Pembawa muatan positif dan negatif menumpuk di bagian yang terhubung, di kedua sisi garis kontak. Beda potensial yang dihasilkan bisa mencapai 0,6 V.

Ketika elemen dengan sambungan p-n memasuki medan listrik, konduktivitasnya akan tergantung pada koneksi catu daya (PS). Dengan "plus" pada bagian dengan konduktivitas p dan "minus" pada bagian dengan konduktivitas n, lapisan pemblokiran akan dihancurkan, dan arus akan mengalir melalui persimpangan. Jika catu daya dihubungkan dengan cara yang berlawanan, lapisan pemblokiran akan semakin meningkat dan membiarkan arus listrik yang besarnya diabaikan.

Penting! P-n-junction memiliki konduktivitas satu sisi.

Penggunaan semikonduktor

Berdasarkan sifat-sifat semikonduktor, berbagai perangkat telah dibuat yang digunakan dalam teknik radio, elektronik, dan bidang lainnya.

dioda

Konduktansi satu arah dioda semikonduktor telah menentukan ruang lingkup aplikasinya - terutama dalam penyearahan arus bolak-balik. Jenis dioda lainnya:

1. Terowongan. Ini menggunakan bahan semikonduktor dengan kandungan pengotor sedemikian rupa sehingga lebar sambungan p-n berkurang tajam, dan efek kerusakan terowongan menjadi mungkin dengan koneksi langsung. Digunakan dalam perangkat RF, generator, peralatan pengukuran;
2. Dikonversi. Dioda terowongan yang sedikit dimodifikasi. Dengan koneksi langsung, tegangan yang membukanya jauh lebih rendah dibandingkan dengan dioda klasik. Ini menentukan penggunaan dioda terowongan untuk mengubah arus tegangan rendah;
3. Varikap. Ketika p-n junction ditutup, kapasitansinya cukup tinggi. Varicap digunakan sebagai kapasitor, yang kapasitansinya dapat divariasikan dengan mengubah tegangan. Kapasitansi akan berkurang jika tegangan balik naik;

1. dioda zener. Terhubung secara paralel, menstabilkan tegangan di area tertentu;
2. Detak. Karena transien pendek, mereka digunakan untuk sirkuit RF berdenyut;
3. Terbang longsor. Digunakan untuk menghasilkan osilasi frekuensi ultra-tinggi. Ini didasarkan pada penggandaan pembawa muatan seperti longsoran salju.

Dioda ini tidak terdiri dari dua bahan semikonduktor, melainkan semikonduktor yang bersentuhan dengan logam. Karena logam tidak memiliki struktur kristal, tidak mungkin ada lubang di dalamnya. Ini berarti bahwa pada titik kontak dengan bahan semikonduktor, hanya elektron dari kedua sisi yang mampu menembus, melakukan fungsi kerja. Ini menjadi mungkin ketika:

• ada semikonduktor tipe-n, dan fungsi kerja elektronnya lebih kecil daripada logam;
• ada semikonduktor tipe-p dengan fungsi kerja elektronnya lebih besar daripada logam.

Pada titik kontak, semikonduktor akan kehilangan pembawa muatan, konduktivitasnya akan menurun. Sebuah penghalang dibuat, yang diatasi dengan tegangan langsung dari nilai yang diperlukan. Tegangan balik praktis memblokir dioda, yang berfungsi sebagai penyearah. Karena kecepatannya yang tinggi, dioda Schottky digunakan dalam rangkaian pulsa, dalam perangkat komputasi, mereka juga berfungsi sebagai dioda daya untuk menyearahkan arus yang cukup besar.

Hampir tidak ada sirkuit mikro yang dapat melakukannya tanpa transistor, elemen semikonduktor dengan dua sambungan p-n. Elemen transistor memiliki tiga kontak keluaran:

• pengumpul;
• basis;
• emitor.

Jika sinyal kontrol daya rendah diterapkan ke basis, lebih banyak arus dilewatkan antara kolektor dan emitor. Ketika tidak ada sinyal yang diterapkan ke basis, tidak ada arus yang dilakukan. Dengan demikian, kekuatan saat ini dapat disesuaikan. Sebuah perangkat digunakan untuk memperkuat sinyal dan switching sirkuit tanpa kontak.

Jenis transistor semikonduktor:

1. Bipolar. Mereka memiliki pembawa muatan positif dan negatif. Arus yang mengalir mampu melewati arah maju dan mundur. Digunakan sebagai amplifier;
2. Bidang. Outputnya disebut drain, source, gate. Kontrol dilakukan melalui medan listrik dengan polaritas tertentu. Sinyal yang diterapkan ke gerbang dapat mengubah konduktansi transistor. Pembawa muatan di perangkat lapangan hanya dapat memiliki satu tanda: positif atau negatif. Transistor efek medan yang kuat digunakan dalam amplifier audio. Aplikasi utama mereka adalah sirkuit terpadu. Dimensi yang ringkas dan konsumsi daya yang rendah memungkinkan untuk memasangnya di perangkat dengan sumber tegangan daya rendah (jam);
3. Gabungan. Mereka dapat ditempatkan bersama dengan elemen transistor lainnya, resistor dalam satu struktur monolitik.

Doping semikonduktor

Doping adalah pengenalan elemen pengotor, donor dan akseptor, ke dalam kristal semikonduktor untuk mengontrol konduktivitasnya. Hal ini terjadi selama periode pertumbuhan kristal atau dengan pengenalan lokal di zona tertentu.

Metode yang diterapkan:

1. Difusi suhu tinggi. Kristal semikonduktor dipanaskan, dan atom pengotor yang bersentuhan dengan permukaannya, jatuh ke kedalaman. Di beberapa lokasi kisi kristal, atom pengotor menggantikan atom zat utama;
2. Implantasi ionik. Ionisasi dan percepatan atom pengotor terjadi, yang membombardir kristal tunggal, menciptakan ketidakhomogenan lokal dan membentuk sambungan p-n;
3. penyinaran laser. Keuntungan dari metode ini adalah bahwa, dengan menggunakan radiasi terarah, masing-masing bagian dapat dipanaskan hingga nilai suhu berapa pun, yang memfasilitasi masuknya pengotor;
4. doping neutron Digunakan relatif baru-baru ini. Ini terdiri dari penyinaran kristal tunggal dengan neutron termal dalam reaktor, sebagai akibatnya terjadi mutasi inti atom. Atom silikon diubah menjadi fosfor.

Ada cara lain untuk doping: etsa kimia, pembuatan film tipis dengan sputtering.

Bagaimana semikonduktor dibuat?

Hal utama dalam memperoleh semikonduktor adalah pemurniannya dari pengotor yang tidak perlu. Di antara banyak cara untuk mendapatkannya, dua yang paling umum digunakan dapat dibedakan:

1. Peleburan zona. Proses ini dilakukan dalam wadah kuarsa tertutup, di mana gas inert disuplai. Zona sempit ingot meleleh, yang secara bertahap bergerak. Dalam proses peleburan, pengotor didistribusikan kembali dan direkristalisasi, melepaskan bagian murni;
2. metode Czochralski. Ini terdiri dari menumbuhkan kristal dari biji dengan secara bertahap menariknya keluar dari komposisi cair.

Varietas bahan semikonduktor

Perbedaan komposisi menentukan ruang lingkup semikonduktor:

1. Sederhana - termasuk zat homogen yang digunakan secara independen, serta pengotor dan bagian penyusun bahan kompleks. Silikon, selenium, dan germanium digunakan secara independen. Boron, antimon, telurium, arsenik, belerang, yodium berfungsi sebagai aditif;
2. Bahan kompleks adalah senyawa kimia dari dua atau lebih unsur: sulfida, telurida, karbida;
3. Oksida kobalt, tembaga, europium digunakan dalam penyearah dan fotosel;
4. Semikonduktor organik: indole, acridone, flavantron, pentacene. Salah satu area penggunaannya adalah elektronik optik;
5. Semikonduktor magnetik. Ini adalah bahan feromagnetik, misalnya, europium sulfida dan oksida, serta bahan antiferromagnetik - nikel oksida, europium telluride. Mereka digunakan dalam teknik radio, perangkat optik yang dikendalikan oleh medan magnet.

Sekarang sulit untuk menyebutkan bidang teknologi yang tidak akan menggunakan bahan semikonduktor, termasuk tidak adanya p-n junction, misalnya hambatan termal pada sensor suhu, fotoresistensi pada remote control, dan lain-lain.

Video

Semikonduktor adalah kelas zat yang luas yang dicirikan oleh nilai konduktivitas listrik yang terletak pada kisaran antara konduktivitas listrik logam dan dielektrik yang baik, yaitu, zat ini tidak dapat diklasifikasikan sebagai dielektrik (karena bukan isolator yang baik) atau logam (mereka bukan konduktor listrik yang baik). Semikonduktor, misalnya, termasuk zat seperti germanium, silikon, selenium, telurium, serta beberapa oksida, sulfida, dan paduan logam.

Properti:

1) Dengan meningkatnya suhu, resistivitas semikonduktor menurun, berbeda dengan logam, di mana resistivitas meningkat dengan meningkatnya suhu. Selain itu, sebagai aturan, dalam rentang suhu yang luas, peningkatan ini terjadi secara eksponensial. Resistivitas kristal semikonduktor juga dapat menurun bila terkena cahaya atau medan elektronik yang kuat.

2) Sifat konduksi satu sisi dari kontak dua semikonduktor. Properti inilah yang digunakan untuk membuat berbagai perangkat semikonduktor: dioda, transistor, thyristor, dll.

3) Kontak berbagai semikonduktor dalam kondisi tertentu, ketika diterangi atau dipanaskan, merupakan sumber foto-e. d.s. atau, masing-masing, thermo-e. d.s.

Semikonduktor berbeda dari kelas padatan lain dalam banyak fitur spesifik, yang paling penting adalah:

1) koefisien suhu positif dari konduktivitas listrik, yaitu, dengan meningkatnya suhu, konduktivitas listrik semikonduktor meningkat;

2) konduktivitas spesifik semikonduktor kurang dari logam, tetapi lebih dari isolator;

3) nilai besar gaya gerak listrik termoelektrik dibandingkan dengan logam;

4) sensitivitas tinggi sifat semikonduktor terhadap radiasi pengion;

5) kemampuan perubahan tajam dalam sifat fisik di bawah pengaruh konsentrasi pengotor yang dapat diabaikan;

6) efek penyearah arus atau perilaku non-ohmik pada kontak.

3. Proses fisik dalam p-n - transisi.

Elemen utama dari sebagian besar perangkat semikonduktor adalah sambungan lubang elektron ( daerah junction), yang merupakan lapisan transisi antara dua daerah semikonduktor, salah satunya memiliki konduktivitas listrik elektronik, dan yang lainnya memiliki konduktivitas lubang.

Pendidikan pn transisi. Pn transisi keseimbangan

Mari kita lihat lebih dekat proses pendidikan pn transisi. Keadaan setimbang disebut keadaan transisi seperti itu ketika tidak ada tegangan eksternal. Ingat itu di R- wilayah ada dua jenis pembawa muatan utama: ion bermuatan negatif yang tidak bergerak dari atom pengotor akseptor dan lubang bermuatan positif gratis; dan masuk n-daerah juga ada dua jenis pembawa muatan utama: ion bermuatan positif yang tidak bergerak dari atom pengotor akseptor dan elektron bebas yang bermuatan negatif.

Sebelum menyentuh p dan n daerah, elektron, lubang, dan ion pengotor terdistribusi secara merata. Pada kontak di perbatasan p dan n daerah, gradien konsentrasi pembawa muatan bebas dan difusi muncul. Di bawah aksi difusi, elektron dari n-area masuk ke p dan bergabung kembali di sana dengan lubang. lubang dari R-daerah pergi ke n wilayah dan bergabung kembali dengan elektron di sana. Sebagai akibat dari pergerakan pembawa muatan bebas di daerah perbatasan, konsentrasi mereka berkurang hampir menjadi nol dan, pada saat yang sama, R wilayah, muatan ruang negatif dari ion pengotor akseptor terbentuk, dan dalam n-daerah muatan ruang positif dari ion pengotor donor. Di antara muatan-muatan ini terdapat beda potensial kontak ke dan medan listrik E ke, yang mencegah difusi pembawa muatan bebas dari kedalaman R- dan n- daerah melalui p-n- transisi. Jadi, daerah yang disatukan oleh pembawa muatan bebas dengan medan listriknya disebut p-n- transisi.

Pn Transisi ditandai oleh dua parameter utama:

1. Tinggi penghalang potensial. Ini sama dengan beda potensial kontak ke. Ini adalah perbedaan potensial dalam transisi karena gradien konsentrasi pembawa muatan. Ini adalah energi yang harus dimiliki oleh muatan gratis untuk mengatasi penghalang potensial:

di mana k adalah konstanta Boltzmann; e adalah muatan elektron; T- suhu; tidak dan N D adalah konsentrasi akseptor dan donor di daerah lubang dan elektron, masing-masing; hal dan p n adalah konsentrasi lubang di R- dan n- daerah masing-masing; aku - konsentrasi pembawa muatan sendiri dalam semikonduktor yang tidak didoping, t \u003d kT / e- potensi suhu. Pada suhu T\u003d 27 0 t= 0,025V, untuk transisi germanium ke= 0.6V, untuk sambungan silikon ke\u003d 0.8V.

2. lebar sambungan p-n(Gbr. 1) adalah wilayah perbatasan yang kehabisan pembawa muatan, yang terletak di p dan n daerah: l p-n = l p + l n:

Dari sini,

di mana ε adalah permitivitas relatif bahan semikonduktor; ε 0 adalah konstanta dielektrik ruang bebas.

Ketebalan transisi elektron-lubang adalah dari orde (0,1-10) m. Jika , maka dan pn-transisi disebut simetris, jika , maka dan pn- transisi disebut asimetris, dan terutama terletak di wilayah semikonduktor dengan konsentrasi pengotor yang lebih rendah.

Dalam keadaan setimbang (tanpa tegangan eksternal) melalui daerah transisi, dua arus berlawanan muatan bergerak (dua arus mengalir). Ini adalah arus drift pembawa muatan minoritas dan arus difusi, yang diasosiasikan dengan pembawa muatan mayoritas. Karena tidak ada tegangan eksternal, dan tidak ada arus di rangkaian eksternal, arus drift dan arus difusi saling seimbang dan arus yang dihasilkan adalah nol.

I dr + I diff = 0.

Hubungan ini disebut kondisi keseimbangan dinamis dari proses difusi dan drift dalam keadaan terisolasi (kesetimbangan) pn-transisi.

Permukaan tempat mereka bersentuhan p dan n daerah disebut batas metalurgi. Pada kenyataannya, ia memiliki ketebalan yang terbatas - m. Jika sebuah m<< l p-n , kemudian pn Transisi ini disebut transisi yang tajam. Jika m >> lp-n, kemudian pn Transisi disebut mulus.

-n transisi pada tegangan eksternal yang diterapkan padanya

Tegangan eksternal mengganggu keseimbangan dinamis arus dalam pn-transisi. Pn- transisi masuk ke keadaan non-ekuilibrium. Bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan ke area di pn-transisi mungkin dua mode operasi.

1) Bias ke depanpn transisi. R-n- persimpangan dianggap bias maju jika kutub positif catu daya terhubung ke R-wilayah, dan negatif untuk n- area (Gbr. 1.2)

Dengan bias maju, tegangan ke dan U diarahkan berlawanan, tegangan yang dihasilkan pada pn-transisi menurun ke nilai ke - kamu. Ini mengarah pada fakta bahwa kekuatan medan listrik berkurang dan proses difusi pembawa muatan utama dilanjutkan. Selain itu, offset ke depan mengurangi lebar pn transisi, karena lp-n( ke - U) 1/2. Arus difusi, arus pembawa muatan utama, menjadi jauh lebih besar daripada arus drift. Melalui pn-transisi arus searah arus

Saya p-n \u003d saya pr \u003d saya berbeda + saya dr Saya diferensial .

Ketika arus searah mengalir, pembawa muatan mayoritas di daerah-p masuk ke daerah-n, di mana mereka menjadi kecil. Proses difusi yang memasukkan pembawa muatan mayoritas ke daerah di mana mereka menjadi minoritas disebut injeksi, dan arus searah - arus difusi atau arus injeksi. Untuk mengimbangi pembawa muatan minoritas yang terakumulasi di daerah p dan n, arus elektron dibangkitkan di sirkuit eksternal dari sumber tegangan, mis. prinsip elektronetralitas dipertahankan.

Dengan peningkatan kamu arus meningkat tajam, - potensi suhu, dan dapat mencapai nilai yang besar. terkait dengan pembawa utama, yang konsentrasinya tinggi.

2) bias terbalik, terjadi ketika R-area diterapkan minus, dan untuk n-area plus, sumber tegangan eksternal (Gbr. 1.3).

Ketegangan eksternal ini kamu termasuk menurut ke. Ini: meningkatkan ketinggian penghalang potensial ke suatu nilai ke + kamu; kekuatan medan listrik meningkat; lebar pn transisi meningkat, karena l p-n ( ke + U) 1/2; proses difusi berhenti sepenuhnya dan setelah pn arus transisi arus drift, arus pembawa minoritas. Arus seperti itu pn-transisi disebut terbalik, dan karena dikaitkan dengan pembawa muatan kecil yang muncul karena pembangkitan termal, ini disebut arus termal dan dilambangkan - saya 0, yaitu

Saya p-n \u003d saya arr \u003d saya berbeda + saya dr Saya dr \u003d saya 0.

Arus ini kecil besarnya. terkait dengan pembawa muatan minoritas, yang konsentrasinya rendah. Dengan demikian, pn transisi memiliki konduktivitas satu sisi.

Dengan bias terbalik, konsentrasi pembawa muatan minoritas pada batas transisi agak berkurang dibandingkan dengan keseimbangan. Hal ini menyebabkan difusi pembawa muatan minoritas dari kedalaman p dan n-daerah perbatasan pn transisi. Setelah mencapainya, pembawa minoritas jatuh ke dalam medan listrik yang kuat dan ditransfer melalui pn transisi, di mana mereka menjadi pembawa muatan mayoritas. Difusi pembawa muatan kecil ke batas pn transisi dan hanyut melaluinya ke wilayah di mana mereka menjadi pembawa muatan utama disebut ekstraksi. Ekstraksi dan menciptakan arus balik pn transisi adalah arus pembawa muatan kecil.

Besarnya arus balik sangat tergantung pada: suhu lingkungan, bahan semikonduktor, dan area pn transisi.

Ketergantungan suhu arus balik ditentukan oleh ekspresi , di mana suhu nominal, adalah suhu aktual, adalah suhu penggandaan arus termal.

Arus termal sambungan silikon jauh lebih kecil daripada arus termal sambungan berbasis germanium (sebesar 3-4 kali lipat). Ini terhubung dengan ke bahan.

Dengan peningkatan area transisi, volumenya meningkat, dan, akibatnya, jumlah pembawa minoritas yang muncul sebagai akibat dari pembangkitan termal dan peningkatan arus termal.

Jadi properti utama pn-transisi adalah konduksi satu arahnya.

4. Karakteristik arus-tegangan p-n - transisi.

Kami mendapatkan karakteristik tegangan-arus dari sambungan p-n. Untuk melakukan ini, kami menulis persamaan kontinuitas dalam bentuk umum:

Kami akan mempertimbangkan kasus stasioner dp/dt = 0.

Pertimbangkan arus dalam volume kuasi-netral semikonduktor tipe-n di sebelah kanan daerah habis sambungan p-n (x > 0). Laju pembangkitan G dalam volume kuasi-netral adalah nol: G = 0. Medan listrik E juga nol: E = 0. Komponen penyimpangan arus juga nol: I E = 0, oleh karena itu, arus adalah difusi. Tingkat rekombinasi R pada tingkat injeksi rendah dijelaskan oleh hubungan:

Mari kita gunakan hubungan berikut yang berkaitan dengan koefisien difusi, panjang difusi, dan masa pakai pembawa minoritas: Dτ = L p 2 .

Dengan mempertimbangkan asumsi di atas, persamaan kontinuitas memiliki bentuk:

Kondisi batas untuk persamaan difusi di persimpangan p-n adalah:

Solusi persamaan diferensial (2.58) dengan syarat batas (*) berbentuk:

Hubungan (2.59) menjelaskan hukum distribusi lubang yang disuntikkan dalam volume kuasi-netral semikonduktor tipe-n untuk transisi lubang elektron (Gbr. 2.15). Semua pembawa yang telah melewati batas SCR dengan volume quasi-netral dari p-n junction mengambil bagian dalam arus p-n junction. Karena seluruh arus adalah difusi, menggantikan (2.59) ke dalam ekspresi untuk arus, kita peroleh (Gbr. 2.16):

Hubungan (2.60) menjelaskan komponen difusi dari arus lubang sambungan p-n, yang muncul selama injeksi pembawa minoritas di bawah bias maju. Untuk komponen elektronik dari arus sambungan p-n, kita peroleh dengan cara yang sama:

Pada V G = 0, komponen drift dan difusi saling menyeimbangkan. Karena itu, .

Arus sambungan p-n total adalah jumlah dari keempat komponen arus sambungan p-n:

Ekspresi dalam tanda kurung memiliki arti fisik dari arus balik p-n junction. Memang, pada tegangan negatif V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Beras. 2.15. Distribusi pembawa non-ekuilibrium yang disuntikkan dari emitor di atas volume kuasi-netral basis p-n junction

Sangat mudah untuk melihat bahwa hubungan ini ekuivalen dengan yang diperoleh sebelumnya dalam analisis persamaan kontinuitas.

Jika diperlukan untuk menerapkan kondisi injeksi satu sisi (misalnya, hanya injeksi lubang), maka berikut dari hubungan (2.61) bahwa nilai kecil dari konsentrasi pembawa minoritas n p0 di daerah-p harus terpilih. Oleh karena itu semikonduktor tipe-p harus didoping berat dibandingkan dengan semikonduktor tipe-n: N A >> N D . Dalam hal ini, komponen lubang akan mendominasi arus sambungan p-n (Gbr. 2.16).

Beras. 2.16. Arus pada sambungan p-n ujung tunggal dengan bias maju

Dengan demikian, karakteristik I–V dari persimpangan p-n memiliki bentuk:

Rapat arus saturasi J s adalah:

Transisi CVC p-n, dijelaskan oleh relasi (2.62), ditunjukkan pada Gambar 2.17.

Beras. 2.17. Karakteristik tegangan-arus dari sambungan p-n yang ideal

Sebagai berikut dari hubungan (2.16) dan Gambar 2.17, karakteristik tegangan-arus dari sambungan p-n ideal memiliki bentuk asimetris yang jelas. Di wilayah tegangan searah, arus sambungan p-n adalah difusi dan meningkat secara eksponensial dengan meningkatnya tegangan yang diberikan. Di daerah tegangan negatif, arus sambungan p-n mengalir dan tidak bergantung pada tegangan yang diberikan.

5. Kapasitansi p-n - persimpangan.

Setiap sistem di mana muatan listrik Q berubah ketika potensial berubah memiliki kapasitansi. Nilai kapasitansi C ditentukan oleh rasio: .

Untuk sambungan p-n, dua jenis muatan dapat dibedakan: muatan di daerah muatan ruang donor dan akseptor terionisasi Q B dan muatan pembawa yang disuntikkan ke basis dari emitor Q p . Dengan bias yang berbeda pada sambungan p-n, satu atau lain muatan akan mendominasi saat menghitung kapasitansi. Dalam hal ini, untuk kapasitansi sambungan p-n, kapasitansi penghalang C B dan kapasitansi difusi C D dibedakan.

Kapasitansi penghalang C B adalah kapasitansi sambungan p-n pada bias balik V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Nilai muatan donor dan akseptor terionisasi Q B per satuan luas untuk sambungan p-n asimetris adalah:

Diferensiasi ekspresi (2.65), kami memperoleh:

Ini mengikuti dari persamaan (2.66) bahwa kapasitansi penghalang C B adalah kapasitansi kapasitor datar, jarak antara pelat yang sama dengan lebar daerah muatan ruang W. Karena lebar SCR tergantung pada tegangan yang diberikan V G, kapasitansi penghalang juga tergantung pada tegangan yang diberikan. Perkiraan numerik dari kapasitansi penghalang menunjukkan bahwa nilainya puluhan atau ratusan picofarads.

Kapasitansi difusi C D adalah kapasitansi sambungan p-n pada bias maju V G > 0, karena perubahan muatan Q p pembawa yang disuntikkan ke basis dari emitor Q p .

Ketergantungan kapasitansi penghalang CB pada tegangan balik yang diterapkan V G digunakan untuk implementasi instrumental. Dioda semikonduktor yang mengimplementasikan ketergantungan ini disebut varicap. Nilai kapasitansi maksimum varicap adalah pada tegangan nol V G . Saat bias balik meningkat, kapasitansi varicap menurun. Ketergantungan fungsional dari kapasitansi varicap pada tegangan ditentukan oleh profil doping dari basis varicap. Dalam kasus doping seragam, kapasitansi berbanding terbalik dengan akar tegangan yang diberikan V G . Dengan mengatur profil doping di dasar varicap N D (x), seseorang dapat memperoleh berbagai ketergantungan kapasitansi varicap pada tegangan C(V G) - menurun secara linier, menurun secara eksponensial.

6. Dioda semikonduktor: klasifikasi, fitur desain, simbol dan penandaan.

dioda semikonduktor- perangkat semikonduktor dengan satu sambungan listrik dan dua kabel (elektroda). Tidak seperti jenis dioda lainnya, prinsip pengoperasian dioda semikonduktor didasarkan pada fenomena pn-transisi.

Halo para pembaca situs yang terhormat. Situs ini memiliki bagian yang didedikasikan untuk amatir radio pemula, tetapi sejauh ini saya belum benar-benar menulis apa pun untuk pemula yang mengambil langkah pertama mereka ke dunia elektronik. Saya mengisi celah ini, dan dari artikel ini kita mulai berkenalan dengan perangkat dan pengoperasian komponen radio (komponen radio).

Mari kita mulai dengan perangkat semikonduktor. Tetapi untuk memahami cara kerja dioda, thyristor, atau transistor, kita harus memahami apa itu: semikonduktor. Oleh karena itu, pertama-tama kita akan mempelajari struktur dan sifat semikonduktor pada tingkat molekuler, dan kemudian kita akan membahas operasi dan desain komponen radio semikonduktor.

Konsep umum.

Mengapa tepatnya? semikonduktor dioda, transistor atau thyristor? Karena dasar dari komponen radio ini adalah semikonduktor Zat yang mampu menghantarkan arus listrik dan mencegah lewatnya.

Ini adalah sekelompok besar zat yang digunakan dalam teknik radio (germanium, silikon, selenium, oksida tembaga), tetapi untuk pembuatan perangkat semikonduktor, mereka hanya menggunakan silikon(Si) dan Germanium(Ge).

Menurut sifat listriknya, semikonduktor menempati tempat tengah antara konduktor dan non-konduktor arus listrik.

Sifat semikonduktor.

Konduktivitas listrik konduktor sangat tergantung pada suhu lingkungan.
sangat rendah suhu mendekati nol mutlak (-273°C), semikonduktor jangan laksanakan arus listrik, dan promosi suhu, ketahanannya terhadap arus berkurang.

Jika Anda menunjuk ke semikonduktor lampu, maka konduktivitas listriknya mulai meningkat. Menggunakan properti semikonduktor ini, diciptakan fotovoltaik peralatan. Semikonduktor juga mampu mengubah energi cahaya menjadi arus listrik, misalnya panel surya. Dan ketika dimasukkan ke dalam semikonduktor kotoran zat tertentu, konduktivitas listrik mereka meningkat secara dramatis.

Struktur atom semikonduktor.

Germanium dan silikon adalah bahan utama dari banyak perangkat semikonduktor dan memiliki empat elektron valensi.

Atom Jerman terdiri dari 32 elektron, dan atom silikon dari 14. Tapi hanya 28 elektron atom germanium dan 10 elektron atom silikon, yang terletak di lapisan dalam cangkangnya, dipegang teguh oleh inti dan tidak pernah lepas darinya. Hanya empat elektron valensi atom-atom konduktor ini dapat menjadi bebas, itupun tidak selalu. Dan jika atom semikonduktor kehilangan setidaknya satu elektron, maka itu menjadi ion positif.

Dalam semikonduktor, atom-atom disusun dalam urutan yang ketat: setiap atom dikelilingi oleh empat atom yang sama. Selain itu, mereka terletak sangat dekat satu sama lain sehingga elektron valensinya membentuk orbit tunggal yang melewati atom tetangga, sehingga menghubungkan atom menjadi satu zat tunggal.

Mari kita mewakili interkoneksi atom dalam kristal semikonduktor dalam bentuk diagram datar.
Dalam diagram, bola merah dengan plus, secara konvensional, menunjukkan inti atom(ion positif), dan bola biru adalah elektron valensi.

Di sini Anda dapat melihat bahwa di sekitar setiap atom berada empat atom yang sama persis, dan masing-masing dari keempat atom ini memiliki hubungan dengan empat atom lainnya, dan seterusnya. Masing-masing atom terhubung ke setiap tetangga dua elektron valensi, dan satu elektron adalah miliknya sendiri, dan yang lainnya dipinjam dari atom tetangga. Ikatan seperti ini disebut ikatan dua elektron. kovalen.

Pada gilirannya, lapisan luar kulit elektron dari setiap atom mengandung: delapan elektron: empat mereka sendiri, dan sendiri, dipinjam dari empat berdekatan atom. Di sini tidak mungkin lagi untuk membedakan elektron valensi mana dalam atom yang "milik sendiri" dan mana yang "asing", karena keduanya sudah menjadi milik bersama. Dengan ikatan atom seperti itu di seluruh massa germanium atau kristal silikon, kita dapat mengasumsikan bahwa kristal semikonduktor adalah satu kristal besar. molekul. Pada gambar, lingkaran merah muda dan kuning menunjukkan hubungan antara lapisan luar kulit dua atom tetangga.

Konduktivitas listrik semikonduktor.

Pertimbangkan gambar sederhana dari kristal semikonduktor, di mana atom dilambangkan dengan bola merah dengan plus, dan ikatan antar atom ditunjukkan oleh dua garis yang melambangkan elektron valensi.

Pada suhu mendekati nol mutlak, semikonduktor tidak melakukan saat ini, karena tidak memiliki elektron bebas. Tetapi dengan peningkatan suhu, ikatan elektron valensi dengan inti atom melemah dan beberapa elektron, karena gerakan termal, dapat meninggalkan atomnya. Elektron yang lepas dari ikatan interatomik menjadi " Gratis", dan di mana dia sebelumnya, sebuah tempat kosong terbentuk, yang secara konvensional disebut lubang.

Bagaimana lebih tinggi suhu semikonduktor, lagi menjadi elektron dan hole bebas. Akibatnya, ternyata pembentukan "lubang" dikaitkan dengan kepergian elektron valensi dari kulit atom, dan lubang itu sendiri menjadi positif muatan listrik sama dengan negatif muatan sebuah elektron.

Sekarang mari kita lihat gambar, yang secara skematis menunjukkan fenomena terjadinya arus dalam semikonduktor.

Jika Anda menerapkan beberapa tegangan ke semikonduktor, kontak "+" dan "-", maka arus akan muncul di dalamnya.
Karena fenomena termal, dalam kristal semikonduktor dari ikatan interatomik akan dimulai dilepaskan sejumlah elektron (bola biru dengan panah). Elektron tertarik positif kutub sumber tegangan adalah pindah ke arahnya, meninggalkan di belakang lubang, yang akan diisi oleh orang lain elektron yang dilepaskan. Artinya, di bawah aksi medan listrik eksternal, pembawa muatan memperoleh kecepatan gerakan terarah tertentu dan dengan demikian menciptakan listrik.

Misalnya: elektron bebas yang paling dekat dengan kutub positif sumber tegangan tertarik tiang ini. Memutus ikatan antar atom dan meninggalkannya, elektron daun-daun setelah diriku sendiri lubang. Elektron lain yang dibebaskan, yang terletak di beberapa pemindahan dari kutub positif, juga tertarik tiang dan bergerak ke arahnya, tapi setelah bertemu sebuah lubang di jalurnya, tertarik padanya inti atom, memulihkan ikatan antar atom.

yang dihasilkan baru lubang setelah elektron kedua, mengisi elektron ketiga yang dilepaskan, terletak di sebelah lubang ini (Gambar No. 1). Pada gilirannya lubang, yang paling dekat dengan negatif tiang, diisi dengan yang lain elektron yang dilepaskan(Gambar No. 2). Dengan demikian, arus listrik muncul di semikonduktor.

Selama semikonduktor beroperasi Medan listrik, proses ini kontinu: ikatan interatomik terputus - elektron bebas muncul - lubang terbentuk. Lubang diisi dengan elektron yang dilepaskan - ikatan interatomik dipulihkan, sementara ikatan interatomik lainnya terputus, dari mana elektron keluar dan mengisi lubang berikut (Gambar No. 2-4).

Dari sini kita menyimpulkan: elektron bergerak dari kutub negatif sumber tegangan ke positif, dan lubang bergerak dari kutub positif ke negatif.

Konduktivitas lubang elektron.

Dalam kristal semikonduktor "murni", bilangan dilepaskan elektron saat ini sama dengan jumlah muncul dalam hal ini, ada lubang, sehingga konduktivitas listrik dari semikonduktor semacam itu kecil, karena memberikan arus listrik besar hambatan, dan konduktivitas listrik ini disebut memiliki.

Tetapi jika kita menambahkan semikonduktor dalam bentuk kotoran sejumlah atom unsur lain, maka daya hantar listriknya akan meningkat secara signifikan, dan tergantung pada struktur atom unsur pengotor, konduktivitas listrik semikonduktor akan menjadi elektronik atau berlubang.

konduktivitas elektronik.

Misalkan, dalam kristal semikonduktor, di mana atom memiliki empat elektron valensi, kita telah mengganti satu atom dengan atom di mana lima elektron valensi. atom ini empat elektron akan berikatan dengan empat atom tetangga semikonduktor, dan kelima elektron valensi akan tetap tak berguna' artinya gratis. Dan dari lagi lagi akan menjadi elektron bebas, yang berarti semikonduktor semacam itu akan mendekati logam dalam sifat-sifatnya, dan agar arus listrik melewatinya, ia ikatan antar atom tidak harus dihancurkan.

Semikonduktor dengan sifat seperti itu disebut semikonduktor dengan konduktivitas tipe " n", atau semikonduktor n-Tipe. Di sini huruf Latin n berasal dari kata "negatif" (negatif) - yaitu, "negatif". Oleh karena itu dalam semikonduktor n-Tipe utama pembawa muatan adalah - elektron, dan bukan yang utama - lubang.

konduksi lubang.

Mari kita ambil kristal yang sama, tetapi sekarang kita akan mengganti atomnya dengan atom yang hanya tiga elektron bebas. Dengan tiga elektronnya, ia hanya akan berikatan dengan tiga atom tetangga, dan untuk mengikat dengan atom keempat, ia tidak akan memiliki cukup satu elektron. Akibatnya, terbentuk lubang. Secara alami, itu akan diisi dengan elektron bebas lain di dekatnya, tetapi, bagaimanapun, tidak akan ada semikonduktor seperti itu di dalam kristal. merebut elektron untuk mengisi lubang. Dan dari lagi akan ada atom seperti itu di dalam kristal, jadi lagi akan ada lubang.

Agar elektron bebas dapat dilepaskan dan bergerak dalam semikonduktor seperti itu, ikatan valensi antar atom harus dimusnahkan. Tetapi elektron masih tidak akan cukup, karena jumlah lubang akan selalu lagi jumlah elektron pada waktu tertentu.

Semikonduktor semacam itu disebut semikonduktor dengan berlubang konduktivitas atau konduktor p-type, yang dalam bahasa latin "positif" berarti "positif". Dengan demikian, fenomena arus listrik dalam kristal semikonduktor tipe-p disertai dengan munculnya dan hilangnya muatan positif adalah lubang. Dan ini berarti bahwa dalam semikonduktor p-Tipe utama pembawa muatan adalah lubang, dan bukan elektron dasar.

Sekarang setelah Anda memahami beberapa fenomena yang terjadi dalam semikonduktor, tidak akan sulit bagi Anda untuk memahami prinsip pengoperasian komponen radio semikonduktor.

Mari kita berhenti di sini, dan di dalam kita akan mempertimbangkan perangkat, prinsip operasi dioda, kita akan menganalisis karakteristik tegangan arus dan rangkaian switching.
Semoga berhasil!

Sumber:

1 . Borisov V.G. - Seorang amatir radio muda. 1985
2 . Situs web academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Apa saja fitur-fiturnya? Apa fisika semikonduktor? Bagaimana mereka dibangun? Apa itu konduktivitas semikonduktor? Apa sifat fisik yang mereka miliki?

Apa itu semikonduktor?

Ini mengacu pada bahan kristal yang tidak menghantarkan listrik seperti halnya logam. Tapi tetap saja, indikator ini lebih baik daripada isolator. Karakteristik tersebut disebabkan oleh jumlah operator seluler. Secara umum, ada keterikatan yang kuat pada inti. Tetapi ketika beberapa atom dimasukkan ke dalam konduktor, misalnya, antimon, yang memiliki kelebihan elektron, situasi ini akan diperbaiki. Saat menggunakan indium, elemen dengan muatan positif diperoleh. Semua properti ini banyak digunakan dalam transistor - perangkat khusus yang dapat memperkuat, memblokir, atau melewatkan arus hanya dalam satu arah. Jika kita mempertimbangkan elemen tipe NPN, maka kita dapat mencatat peran penguatan yang signifikan, yang sangat penting saat mentransmisikan sinyal yang lemah.

Fitur desain yang dimiliki oleh semikonduktor listrik

Konduktor memiliki banyak elektron bebas. Isolator praktis tidak memilikinya sama sekali. Semikonduktor, di sisi lain, mengandung sejumlah elektron bebas dan celah dengan muatan positif, yang siap menerima partikel yang dilepaskan. Dan yang terpenting, mereka semua konduktif.Jenis transistor NPN yang dibahas sebelumnya bukanlah satu-satunya elemen semikonduktor yang mungkin. Jadi, ada juga transistor PNP, serta dioda.

Jika kita berbicara tentang yang terakhir secara singkat, maka ini adalah elemen yang dapat mengirimkan sinyal hanya dalam satu arah. Dioda juga dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Bagaimana mekanisme transformasi semacam itu? Dan mengapa itu hanya bergerak dalam satu arah? Bergantung dari mana arus berasal, elektron dan celah dapat menyimpang atau menuju satu sama lain. Dalam kasus pertama, karena peningkatan jarak, suplai terputus, dan oleh karena itu transfer pembawa tegangan negatif dilakukan hanya dalam satu arah, yaitu, konduktivitas semikonduktor satu sisi. Bagaimanapun, arus hanya dapat ditransmisikan jika partikel penyusunnya berada di dekatnya. Dan ini hanya mungkin jika arus dialirkan dari satu sisi. Jenis semikonduktor ini ada dan saat ini digunakan.

Struktur pita

Sifat listrik dan optik konduktor terkait dengan fakta bahwa, ketika tingkat energi diisi dengan elektron, mereka dipisahkan dari keadaan yang mungkin oleh celah pita. Apa saja fitur-fiturnya? Faktanya adalah bahwa tidak ada tingkat energi di celah pita. Dengan bantuan kotoran dan cacat struktural, ini dapat diubah. Pita terisi penuh tertinggi disebut pita valensi. Kemudian ikuti yang diizinkan, tetapi kosong. Ini disebut pita konduksi. Fisika semikonduktor adalah topik yang agak menarik, dan dalam kerangka artikel itu akan dibahas dengan baik.

Keadaan elektron

Untuk ini, konsep seperti jumlah zona yang diizinkan dan momentum kuasi digunakan. Struktur yang pertama ditentukan oleh hukum dispersi. Dia mengatakan bahwa itu dipengaruhi oleh ketergantungan energi pada momentum kuasi. Jadi, jika pita valensi terisi penuh dengan elektron (yang membawa muatan dalam semikonduktor), maka mereka mengatakan bahwa tidak ada eksitasi elementer di dalamnya. Jika karena alasan tertentu tidak ada partikel, maka ini berarti kuasipartikel bermuatan positif telah muncul di sini - celah atau lubang. Mereka adalah pembawa muatan dalam semikonduktor di pita valensi.

Zona merosot

Pita valensi dalam konduktor tipikal adalah enam kali lipat merosot. Ini tanpa memperhitungkan interaksi spin-orbit dan hanya jika momentum kuasi adalah nol. Itu dapat dipecah dalam kondisi yang sama menjadi pita degenerasi ganda dan empat kali lipat. Jarak energi antara keduanya disebut energi pemisahan spin-orbit.

Kotoran dan cacat pada semikonduktor

Mereka mungkin secara elektrik tidak aktif atau aktif. Penggunaan yang pertama memungkinkan untuk memperoleh muatan positif atau negatif dalam semikonduktor, yang dapat dikompensasikan dengan munculnya lubang di pita valensi atau elektron di pita konduktif. Pengotor tidak aktif bersifat netral dan memiliki efek yang relatif kecil pada sifat elektronik. Selain itu, sering kali dapat menjadi masalah apa valensi atom yang mengambil bagian dalam proses transfer muatan, dan strukturnya

Tergantung pada jenis dan jumlah pengotor, rasio antara jumlah lubang dan elektron juga dapat berubah. Oleh karena itu, bahan semikonduktor harus selalu dipilih dengan cermat untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Ini didahului oleh sejumlah besar perhitungan, dan kemudian eksperimen. Partikel yang paling sering disebut sebagai pembawa muatan mayoritas adalah non-primer.

Pengenalan kotoran secara tertutup ke dalam semikonduktor memungkinkan untuk mendapatkan perangkat dengan sifat yang diperlukan. Cacat pada semikonduktor juga bisa dalam keadaan listrik tidak aktif atau aktif. Dislokasi, atom interstisial, dan kekosongan penting di sini. Konduktor cair dan non-kristal bereaksi berbeda terhadap pengotor daripada yang kristal. Tidak adanya struktur yang kaku pada akhirnya menghasilkan fakta bahwa atom yang dipindahkan menerima valensi yang berbeda. Ini akan berbeda dari yang dia awalnya menjenuhkan ikatannya. Menjadi tidak menguntungkan bagi atom untuk memberi atau menambahkan elektron. Dalam hal ini, ia menjadi tidak aktif, dan oleh karena itu semikonduktor yang didoping memiliki kemungkinan kegagalan yang tinggi. Ini mengarah pada fakta bahwa tidak mungkin untuk mengubah jenis konduktivitas dengan bantuan doping dan membuat, misalnya, persimpangan p-n.

Beberapa semikonduktor amorf dapat mengubah sifat elektroniknya di bawah pengaruh doping. Tapi ini berlaku untuk mereka pada tingkat yang jauh lebih rendah daripada yang kristal. Sensitivitas elemen amorf terhadap doping dapat ditingkatkan dengan pemrosesan. Pada akhirnya, saya ingin mencatat bahwa, berkat kerja keras dan panjang, semikonduktor yang didoping masih diwakili oleh sejumlah hasil dengan karakteristik yang baik.

Statistik elektron dalam semikonduktor

Ketika ada, jumlah lubang dan elektron ditentukan semata-mata oleh suhu, parameter struktur pita, dan konsentrasi pengotor yang aktif secara elektrik. Ketika rasio dihitung, diasumsikan bahwa beberapa partikel akan berada di pita konduksi (pada tingkat akseptor atau donor). Ini juga memperhitungkan fakta bahwa suatu bagian dapat meninggalkan wilayah valensi, dan celah terbentuk di sana.

Konduktivitas listrik

Dalam semikonduktor, selain elektron, ion juga dapat bertindak sebagai pembawa muatan. Tetapi konduktivitas listrik mereka dalam banyak kasus dapat diabaikan. Sebagai pengecualian, hanya superkonduktor ionik yang dapat disebutkan. Ada tiga mekanisme utama transfer elektron dalam semikonduktor:

1. zona utama. Dalam hal ini, elektron bergerak karena perubahan energinya dalam wilayah yang diizinkan yang sama.
2. Melompat transfer ke negara bagian yang dilokalkan.
3. polaron.

semangat

Lubang dan elektron dapat membentuk keadaan terikat. Ini disebut rangsangan Wannier-Mott. Dalam hal ini, yang sesuai dengan tepi penyerapan, berkurang dengan ukuran ikatan. Dengan energi yang cukup, sejumlah besar rangsangan dapat terbentuk dalam semikonduktor. Ketika konsentrasinya meningkat, kondensasi terjadi, dan cairan lubang elektron terbentuk.

Permukaan semikonduktor

Kata-kata ini menunjukkan beberapa lapisan atom yang terletak di dekat tepi perangkat. Sifat permukaan berbeda dengan sifat curah. Kehadiran lapisan-lapisan ini mematahkan simetri translasi kristal. Ini mengarah pada apa yang disebut keadaan permukaan dan polariton. Mengembangkan tema yang terakhir, orang juga harus menginformasikan tentang putaran dan gelombang getaran. Karena reaktivitasnya, permukaan ditutupi dengan lapisan mikroskopis molekul asing atau atom yang telah teradsorpsi dari lingkungan. Mereka menentukan sifat-sifat dari beberapa lapisan atom itu. Untungnya, penciptaan teknologi vakum ultra-tinggi, di mana elemen semikonduktor dibuat, memungkinkan untuk mendapatkan dan mempertahankan permukaan yang bersih selama beberapa jam, yang memiliki efek positif pada kualitas produk yang dihasilkan.

Semikonduktor. Suhu mempengaruhi resistensi

Ketika suhu logam meningkat, resistensi mereka juga meningkat. Dengan semikonduktor, kebalikannya benar - dalam kondisi yang sama, parameter ini akan berkurang untuk mereka. Intinya di sini adalah bahwa konduktivitas listrik dari bahan apa pun (dan karakteristik ini berbanding terbalik dengan resistansi) tergantung pada muatan arus apa yang dimiliki pembawa, pada kecepatan gerakan mereka dalam medan listrik dan pada jumlah mereka dalam satu satuan volume. bahan.

Dalam elemen semikonduktor, dengan meningkatnya suhu, konsentrasi partikel meningkat, karena ini, konduktivitas termal meningkat, dan resistansi berkurang. Anda dapat memeriksa ini jika Anda memiliki satu set fisikawan muda sederhana dan bahan yang diperlukan - silikon atau germanium, Anda juga dapat mengambil semikonduktor yang terbuat dari mereka. Peningkatan suhu akan mengurangi resistensi mereka. Untuk memastikannya, Anda perlu menyiapkan alat ukur yang memungkinkan Anda melihat semua perubahan. Ini dalam kasus umum. Mari kita lihat beberapa opsi pribadi.

Resistansi dan ionisasi elektrostatik

Hal ini disebabkan tunneling elektron melewati penghalang yang sangat sempit yang memasok sekitar seperseratus mikrometer. Itu terletak di antara tepi zona energi. Penampilannya hanya mungkin jika pita energi dimiringkan, yang hanya terjadi di bawah pengaruh medan listrik yang kuat. Ketika tunneling terjadi (yang merupakan efek mekanika kuantum), maka elektron melewati penghalang potensial yang sempit, dan energinya tidak berubah. Ini memerlukan peningkatan konsentrasi pembawa muatan, dan di kedua pita: konduksi dan valensi. Jika proses ionisasi elektrostatik dikembangkan, maka kerusakan terowongan semikonduktor dapat terjadi. Selama proses ini, resistansi semikonduktor akan berubah. Ini reversibel, dan segera setelah medan listrik dimatikan, semua proses akan dipulihkan.

Resistensi dan dampak ionisasi

Dalam hal ini, lubang dan elektron dipercepat ketika mereka melewati jalur bebas rata-rata di bawah pengaruh medan listrik yang kuat ke nilai-nilai yang berkontribusi pada ionisasi atom dan pemutusan salah satu ikatan kovalen (atom utama atau pengotor ). Ionisasi tumbukan terjadi seperti longsoran salju, dan pembawa muatan berlipat ganda di dalamnya seperti longsoran salju. Dalam hal ini, lubang dan elektron yang baru dibuat dipercepat oleh arus listrik. Nilai arus pada hasil akhir dikalikan dengan koefisien ionisasi tumbukan, yang sama dengan jumlah pasangan lubang elektron yang dibentuk oleh pembawa muatan dalam satu segmen lintasan. Perkembangan proses ini pada akhirnya mengarah pada kerusakan longsoran semikonduktor. Hambatan semikonduktor juga berubah, tetapi, seperti dalam kasus kerusakan terowongan, itu dapat dibalik.

Penggunaan semikonduktor dalam praktik

Kepentingan khusus dari elemen-elemen ini harus diperhatikan dalam teknologi komputer. Kami hampir tidak ragu bahwa Anda tidak akan tertarik dengan pertanyaan tentang apa itu semikonduktor, jika bukan karena keinginan untuk merakit objek secara mandiri menggunakan mereka. Mustahil membayangkan pekerjaan lemari es modern, televisi, monitor komputer tanpa semikonduktor. Jangan lakukan tanpa mereka dan pengembangan otomotif yang maju. Mereka juga digunakan dalam teknologi penerbangan dan luar angkasa. Apakah Anda mengerti apa itu semikonduktor, seberapa penting mereka? Tentu saja, tidak dapat dikatakan bahwa ini adalah satu-satunya elemen yang tak tergantikan bagi peradaban kita, tetapi mereka juga tidak boleh diremehkan.

Penggunaan semikonduktor dalam praktik juga disebabkan oleh sejumlah faktor, termasuk meluasnya penggunaan bahan dari mana mereka dibuat, dan kemudahan pemrosesan dan memperoleh hasil yang diinginkan, dan fitur teknis lainnya yang menjadi pilihan para ilmuwan. yang mengembangkan peralatan elektronik menetap pada mereka.

Kesimpulan

Kami memeriksa secara rinci apa itu semikonduktor, bagaimana cara kerjanya. Perlawanan mereka didasarkan pada proses fisik dan kimia yang kompleks. Dan kami dapat memberi tahu Anda bahwa fakta-fakta yang dijelaskan dalam artikel tidak akan sepenuhnya memahami apa itu semikonduktor, karena alasan sederhana bahwa bahkan sains belum mempelajari fitur-fitur pekerjaan mereka sampai akhir. Tetapi kami mengetahui sifat dan karakteristik utama mereka, yang memungkinkan kami untuk menerapkannya dalam praktik. Karena itu, Anda dapat mencari bahan semikonduktor dan bereksperimen sendiri dengannya, dengan hati-hati. Siapa tahu, mungkin seorang penjelajah hebat tertidur di dalam dirimu?!

Sifat fisik padatan, dan terutama sifat listriknya, tidak ditentukan oleh bagaimana zona terbentuk, tetapi oleh bagaimana mereka diisi. Dari sudut pandang ini, semua badan kristal dapat dibagi menjadi dua kelompok yang berbeda. Semua badan yang termasuk dalam kelompok pertama adalah konduktor. Kelompok kedua padatan menggabungkan semikonduktor dan dielektrik. Kelompok kedua termasuk badan di mana zona yang benar-benar kosong terletak di atas zona yang terisi penuh. Kelompok ini juga mencakup kristal yang memiliki struktur intan: silikon, germanium, timah abu-abu, intan itu sendiri; dan banyak senyawa kimia - oksida logam, karbida, nitrida logam, korundum.

Semikonduktor dibagi menjadi intrinsik (murni) dan ekstrinsik (doping). Semikonduktor dengan tingkat kemurnian tinggi disebut intrinsik. Dalam hal ini, sifat-sifat seluruh kristal hanya ditentukan oleh sifat-sifat atom intrinsik dari elemen semikonduktor. Munculnya sifat konduksi dalam semikonduktor dapat disebabkan oleh peningkatan suhu, pengaruh eksternal lainnya (iradiasi cahaya, pemboman elektron cepat). Hanya penting bahwa aksi eksternal menyebabkan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi atau bahwa kondisi diciptakan untuk pembangkitan pembawa muatan bebas dalam sebagian besar semikonduktor. Konduktivitas intrinsik dengan kesetaraan ketat konsentrasi pembawa tanda yang berbeda dapat diwujudkan hanya dalam kristal semikonduktor ideal super murni. Dalam kondisi nyata, kita selalu berurusan dengan kristal yang terkontaminasi sampai tingkat tertentu oleh berbagai kotoran. Selain itu, semikonduktor pengotor yang paling menarik dalam teknologi semikonduktor. Semikonduktor pengotor, tergantung pada jenis pengotor yang dimasukkan, dibagi menjadi donor (elektronik) dan akseptor (lubang). Pembentukan lubang di pita valensi berarti munculnya lubang konduksi dalam kristal. Karena jenis konduktivitas ini, semikonduktor itu sendiri disebut semikonduktor lubang atau semikonduktor tipe-p. Pengotor yang dimasukkan ke dalam semikonduktor untuk menangkap elektron dari pita valensi disebut akseptor, itulah sebabnya tingkat energi pengotor ini disebut tingkat akseptor, dan semikonduktor itu sendiri dengan pengotor semacam itu disebut semikonduktor akseptor.

Fotokonduktivitas adalah proses non-kesetimbangan dalam semikonduktor, yang terdiri dari penampilan atau perubahan sifat konduktif semikonduktor di bawah pengaruh radiasi apa pun (inframerah, cahaya tampak, atau ultraviolet). Sebagai aturan, iradiasi semikonduktor dengan cahaya disertai dengan peningkatan konduktivitas listriknya. Peningkatan konduktivitas dijelaskan oleh peningkatan konsentrasi pembawa bebas (mobilitas pembawa non-kesetimbangan praktis tidak berbeda dari mobilitas pembawa keseimbangan). Pembentukan operator seluler berlebih saat terkena cahaya dimungkinkan karena tiga alasan utama berikut:

• kuanta cahaya, berinteraksi dengan elektron yang terletak di tingkat donor pengotor, dan memberi mereka energi mereka, mentransfernya ke pita konduksi, sehingga meningkatkan konsentrasi elektron konduksi;
• kuanta cahaya mengeksitasi elektron yang terletak di pita valensi dan mentransfernya ke tingkat akseptor, sehingga menciptakan lubang bebas di pita valensi dan meningkatkan konduktivitas lubang semikonduktor;
• kuanta cahaya mentransfer elektron dari pita valensi langsung ke pita konduksi, sehingga menciptakan lubang bergerak dan elektron bebas pada saat yang bersamaan.

Saat ini, perangkat semikonduktor digunakan di hampir semua bidang elektronik dan teknik radio. Namun, terlepas dari variasi ekstrim dari perangkat ini, mereka biasanya didasarkan pada pengoperasian sambungan p-n konvensional atau sistem beberapa sambungan p-n. Dioda semikonduktor hanya berisi satu sambungan p-n, ke masing-masing daerah di mana input logam dihubungkan menggunakan kontak ohmik. Dioda semikonduktor terutama digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik.

Tidak seperti dioda semikonduktor, transistor adalah sistem semikonduktor yang terdiri dari tiga daerah yang dipisahkan oleh dua sambungan p-n. Setiap daerah memiliki outputnya sendiri-sendiri. Oleh karena itu, dengan analogi trioda vakum, transistor sering disebut trioda semikonduktor. Dan dalam hal tujuan, transistor mirip dengan triode vakum: area utama penggunaannya adalah penguatan sinyal listrik dalam tegangan dan daya. Untuk mendapatkan transistor dalam pelat kristal tunggal semikonduktor dengan jenis konduktivitas tertentu, pada dua permukaan yang berlawanan, pengotor menyatu atau menembus secara difus, memberikan konduktivitas dari jenis yang berlawanan ke daerah dekat permukaan. Anda dapat membuat transistor sebagai tipe p-n-p dan tipe n-p-n. Tidak ada perbedaan mendasar di antara mereka. Hanya saja hole berperan utama pada transistor tipe p-n-p, dan elektron pada transistor tipe n-p-n.

Semikonduktor dengan cepat meledak menjadi sains dan teknologi. Penghematan besar dalam konsumsi daya, kekompakan peralatan yang luar biasa karena kepadatan elemen yang luar biasa tinggi dalam sirkuit, keandalan yang tinggi memungkinkan semikonduktor memenangkan posisi terdepan dalam elektronik, teknik radio, dan sains. Penelitian di luar angkasa, di mana persyaratan untuk ukuran, berat, dan konsumsi energi sangat penting, saat ini tidak terpikirkan tanpa perangkat semikonduktor, yang menerima energi dalam penerbangan otonom perangkat dari baterai surya yang beroperasi pada elemen semikonduktor. Prospek mengejutkan dalam pengembangan teknologi semikonduktor dibuka oleh mikroelektronika. Namun, kemungkinan semikonduktor masih jauh dari habis, dan mereka sedang menunggu peneliti baru mereka.

Aplikasi semikonduktor

Saat ini, perangkat semikonduktor digunakan di hampir semua bidang elektronik dan teknik radio. Namun, terlepas dari variasi ekstrim dari perangkat ini, mereka biasanya didasarkan pada pengoperasian sambungan p-n konvensional atau sistem beberapa sambungan p-n.

Dioda semikonduktor hanya berisi satu sambungan p-n, ke masing-masing daerah di mana input logam dihubungkan menggunakan kontak ohmik.

dioda penyearah. Dioda semikonduktor terutama digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik. Skema paling sederhana untuk menggunakan dioda semikonduktor sebagai elemen penyearah ditunjukkan pada Gambar 1. Sumber tegangan bolak-balik i-, dioda D dan resistor beban Rn dihubungkan secara seri. Arah aliran dioda ditunjukkan oleh panah (dari anoda ke katoda).

Biarkan tegangan pada terminal sumber berubah menurut hukum sinusoidal (Gbr. 2, a). Selama setengah siklus positif, ketika "+" diterapkan ke anoda dioda, dan "-" ke katoda, dioda menyala ke arah maju dan arus mengalir melaluinya. Dalam hal ini, nilai sesaat dari arus I ditentukan oleh nilai sesaat dari tegangan dan pada terminal sumber dan resistansi beban (hambatan dioda dalam arah maju kecil dan dapat diabaikan). Selama setengah siklus negatif, tidak ada arus yang mengalir melalui dioda. Dengan demikian, arus berdenyut mengalir di sirkuit, grafiknya ditunjukkan pada Gambar 2, b. Denyut yang sama akan menjadi tegangan un pada resistor beban. Karena u=iR, perubahan tegangan u mengulangi arah perubahan arus i. Polaritas tegangan yang dibuat pada resistansi beban selalu sama, dan ditentukan sesuai dengan arah arus yang ditransmisikan: di ujung resistansi yang menghadap ke katoda, akan ada "+", dan sebaliknya. akhir "-".

Skema penyearah yang dipertimbangkan adalah setengah gelombang. Untuk mengurangi riak tegangan yang diperbaiki, filter pemulusan digunakan. Metode penghalusan yang paling sederhana adalah menghubungkan kapasitor C secara paralel dengan resistor beban (ditunjukkan dalam garis putus-putus pada Gambar 1). Selama setengah siklus positif, sebagian arus yang dilewatkan oleh dioda mengalir untuk mengisi kapasitor. Selama setengah siklus negatif, ketika dioda terkunci, kapasitor dilepaskan melalui Rp, menciptakan arus di dalamnya dengan arah yang sama. Karena ini, riak tegangan melintasi resistor beban sebagian besar dihaluskan.