Dalam semikonduktor, elektron bebas dan lubang berada dalam keadaan gerak kacau. Oleh karena itu, jika kita memilih bagian sewenang-wenang di dalam volume semikonduktor dan menghitung jumlah pembawa muatan yang melewati bagian ini per satuan waktu dari kiri ke kanan dan dari kanan ke kiri, nilai angka-angka ini akan sama. Ini berarti bahwa tidak ada arus listrik dalam volume semikonduktor ini. Ketika semikonduktor ditempatkan dalam medan listrik berkekuatan E, komponen gerakan terarah ditumpangkan pada gerakan kacau pembawa muatan. Pergerakan pembawa muatan yang terarah dalam medan listrik menyebabkan munculnya arus yang disebut drift (Gbr. 1.5)
Pada suhu tinggi, konsentrasi elektron dan hole meningkat secara signifikan karena pemutusan ikatan kovalen dan, meskipun mobilitasnya menurun, konduktivitas listrik semikonduktor meningkat secara eksponensial.
Gambar 1.5 Arus hanyut dalam semikonduktor
1.2.2 Arus difusi
Selain eksitasi termal, yang mengarah pada munculnya keseimbangan konsentrasi muatan yang terdistribusi secara merata di atas volume semikonduktor, pengayaan semikonduktor dengan elektron hingga konsentrasi n p dan lubang hingga konsentrasi p n dapat dilakukan dengan penerangannya, iradiasi dengan aliran partikel bermuatan, pengenalannya melalui kontak (injeksi), dll. Dalam hal ini, energi exciter ditransfer langsung ke pembawa muatan dan energi termal kisi kristal praktis tetap konstan. Akibatnya, pembawa muatan berlebih tidak berada dalam kesetimbangan termal dengan kisi dan oleh karena itu disebut nonequilibrium. Tidak seperti kesetimbangan, mereka dapat didistribusikan secara tidak merata pada volume semikonduktor (Gbr. 1.6) 
Setelah penghentian aksi exciter karena rekombinasi elektron dan hole, konsentrasi pembawa berlebih dengan cepat menurun dan mencapai nilai keseimbangan.
Pembawa muatan bergabung kembali di sebagian besar semikonduktor dan di permukaannya. Distribusi pembawa muatan yang tidak seimbang disertai dengan difusinya menuju konsentrasi yang lebih rendah. Pergerakan pembawa muatan ini menyebabkan aliran arus listrik, yang disebut difusi (Gbr. 1.6).
Gambar 1.6 Arus difusi dalam semikonduktor
1.3 Fenomena kontak
Transisi elektron-lubang dalam keadaan setimbang
Prinsip pengoperasian sebagian besar perangkat semikonduktor didasarkan pada fenomena fisik yang terjadi di bidang kontak padatan. Dalam hal ini, kontak terutama digunakan: semikonduktor-semikonduktor; logam semikonduktor; logam-isolator-semikonduktor.
Jika sambungan dibuat antara semikonduktor tipe-n dan tipe-p, maka itu disebut sambungan lubang-elektron atau sambungan p-n.
Transisi lubang elektron dibuat dalam kristal semikonduktor tunggal menggunakan operasi teknologi yang kompleks dan beragam.
Pertimbangkan transisi p-n, di mana konsentrasi donor N d dan akseptor N berubah secara tiba-tiba pada antarmuka (Gbr. 1.7, a). Transisi p-n seperti itu disebut transisi tajam. Konsentrasi kesetimbangan lubang di daerah-p () secara signifikan melebihi konsentrasinya di daerah-n (). Demikian pula, untuk elektron, kondisi > terpenuhi. Distribusi yang tidak merata dari konsentrasi pembawa muatan yang sama dalam kristal (Gbr. 1.7, b) menyebabkan difusi elektron dari daerah-n ke daerah-p dan hole dari daerah-p ke daerah-n. Pergerakan muatan ini menciptakan arus difusi elektron dan hole.
Elektron dan lubang, melewati kontak satu sama lain (karena difusi), bergabung kembali dan muatan ion negatif pengotor akseptor yang tidak terkompensasi terbentuk di daerah kontak dekat dari semikonduktor lubang, dan dalam semikonduktor elektronik muatan yang tidak terkompensasi dari ion donor positif (Gbr. 1.6, c). Jadi, semikonduktor elektronik bermuatan positif, dan semikonduktor lubang bermuatan negatif. Di antara daerah dengan jenis konduktivitas listrik yang berbeda, terdapat medan listrik sendiri dengan kekuatan E inc (Gbr. 1.7, a), yang diciptakan oleh dua lapisan muatan ruang.
Medan listrik intrinsik melambat untuk pembawa muatan mayoritas dan dipercepat untuk pembawa muatan kecil. Elektron dari daerah p dan lubang di daerah n, membuat gerakan termal, jatuh dalam batas-batas medan listrik difusi, terbawa olehnya dan dipindahkan ke daerah yang berlawanan, membentuk arus drift, atau arus konduksi.
Gambar 1.7 Keadaan keseimbangan p-n junction
Daerah dekat-kontak, di mana ada medan listriknya sendiri, disebut p- ntransisi. Di area ini, semikonduktor dicirikan oleh konduktivitas listriknya sendiri dan memiliki resistansi yang meningkat dibandingkan dengan volume lainnya. Dalam hal ini, itu disebut lapisan penghalang atau wilayah muatan ruang.
Lebar lapisan penghalang secara signifikan dipengaruhi oleh konsentrasi atom pengotor. Meningkatkan konsentrasi atom pengotor mempersempit lapisan penghalang, sementara menguranginya memperluasnya. Ini sering digunakan untuk memberikan perangkat semikonduktor sifat yang diperlukan.
Semikonduktor adalah zat yang menempati posisi menengah dalam hal konduktivitas listrik 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 tipe-p dan tipe-n p-n junction 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 daya 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 memperbaiki arus bolak-balik, ia menggunakan satu p - n - junction dengan resistansi berbeda: di 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.
Pelajaran No. 41-169 Arus listrik dalam semikonduktor. dioda semikonduktor. Perangkat semikonduktor.
Semikonduktor adalah zat yang resistivitasnya dapat bervariasi pada rentang yang luas dan menurun sangat cepat dengan meningkatnya suhu, yang berarti bahwa konduktivitas listrik meningkat. Hal ini diamati dalam silikon, germanium, selenium dan dalam beberapa senyawa. Mekanisme konduksi dalam 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. Jika semikonduktor murni (tanpa pengotor), maka ia memiliki konduktivitas sendiri (kecil). Ada dua jenis konduktivitas intrinsik: 1) elektronik (konduktivitas " P"-type) Pada suhu rendah dalam semikonduktor, semua elektron berasosiasi dengan inti dan resistansinya besar; Saat suhu meningkat, energi kinetik partikel meningkat, ikatan putus dan elektron bebas muncul - resistansi berkurang. Elektron bebas bergerak berlawanan terhadap vektor kuat medan listrik.Konduktivitas elektronik semikonduktor disebabkan oleh adanya elektron bebas.2) hole (tipe konduktivitas "p").Dengan meningkatnya suhu, ikatan kovalen yang dilakukan oleh elektron valensi antar atom akan hancur dan tempat dengan elektron yang hilang terbentuk - "lubang". tempatnya dapat digantikan oleh elektron valensi.Pergerakan "lubang" setara dengan pergerakan muatan positif.Pergerakan lubang terjadi ke arah vektor kuat medan listrik. Putusnya ikatan kovalen dan terjadinya konduktivitas intrinsik semikonduktor dapat disebabkan oleh pemanasan, pencahayaan m (fotokonduktivitas) dan aksi medan listrik yang kuat. 
R(t) ketergantungan: termistor
- pengukuran jarak jauh t; - alarm kebakaran
1) pengotor donor (menyumbang) - tambahan pemasok elektron ke kristal semikonduktor, dengan mudah menyumbangkan elektron dan meningkatkan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor. Ini adalah konduktor n "- jenis, yaitu semikonduktor dengan pengotor donor, di mana pembawa muatan utama adalah elektron, dan muatan kecil adalah lubang. Semikonduktor semacam itu memiliki konduktivitas pengotor elektronik (contohnya adalah arsenik). 2
) pengotor akseptor (penerima) membuat "lubang", mengambil elektron ke dalam diri mereka sendiri. Ini adalah semikonduktor tipe "p", mis. semikonduktor dengan pengotor akseptor, di mana pembawa muatan utama adalah lubang, dan minoritas - elektron. Semikonduktor semacam itu memiliki konduktivitas pengotor lubang (contohnya adalah indium). Sifat listrik "p-
n" transisi.Transisi "p-p" (atau transisi lubang elektron) - bidang kontak dua semikonduktor, di mana konduktivitas berubah dari elektronik ke lubang (atau sebaliknya). PADA 
Dimungkinkan untuk membuat daerah seperti itu dalam kristal semikonduktor dengan memasukkan pengotor. Di zona kontak dua semikonduktor dengan konduktivitas yang berbeda, difusi timbal balik elektron dan lubang akan terjadi dan penghalang pemblokiran akan terbentuk. lapisan listrik. Medan listrik dari lapisan penghalang mencegahtransisi lebih lanjut dari elektron dan lubang melalui batas. Lapisan penghalang memiliki resistensi yang meningkat dibandingkan dengan area semikonduktor lainnya. PADA 
Medan listrik eksternal mempengaruhi resistansi lapisan penghalang. Dalam arah langsung (transmisi) medan listrik eksternal, arus melewati batas dua semikonduktor. Karena elektron dan lubang bergerak menuju satu sama lain ke antarmuka, maka elektron, melintasi perbatasan, mengisi lubang. Ketebalan lapisan penghalang dan ketahanannya terus menurun.P 
Dengan pemblokiran (kebalikan arah medan listrik eksternal), arus tidak akan melewati bidang kontak kedua semikonduktor. Karena elektron dan lubang bergerak dari batas dalam arah yang berlawanan, maka lapisan pemblokiran mengental, resistensinya meningkat. Dengan demikian, transisi elektron-lubang memiliki konduksi satu sisi.
dioda semikonduktor- semikonduktor dengan satu persimpangan "rn".P 
Dioda semikonduktor adalah elemen utama penyearah AC.
Ketika medan listrik diterapkan: dalam satu arah, resistansi semikonduktor tinggi, dalam arah yang berlawanan, resistansi rendah.
transistor.(dari kata bahasa Inggris transfer - transfer, resistor - resistance) Pertimbangkan salah satu jenis transistor yang terbuat dari germanium atau silikon dengan pengotor donor dan akseptor yang dimasukkan ke dalamnya. Distribusi pengotor sedemikian rupa sehingga lapisan semikonduktor tipe-n yang sangat tipis (dengan orde beberapa mikrometer) dibuat di antara dua lapisan semikonduktor tipe-p (lihat Gambar.). 
Lapisan tipis ini disebut dasar atau basis. Kristal memiliki dua R-n-junction, arah langsungnya berlawanan. Tiga output dari area dengan berbagai jenis konduktivitas memungkinkan Anda memasukkan transistor ke dalam rangkaian yang ditunjukkan pada gambar. Dengan penyertaan ini, kiri R-n-lompat adalah langsung dan memisahkan basa dari daerah tipe-p yang disebut emitor. Jika tidak ada hak R-n-junction, pada rangkaian emitor-basis akan ada arus tergantung pada tegangan sumber (baterai B1 dan sumber tegangan AC) dan resistansi sirkuit, termasuk resistansi rendah dari sambungan basis emitor langsung. Baterai B2 dihidupkan sehingga benar R-n-junction di sirkuit (lihat gbr.) adalah membalik. Ini memisahkan basis dari wilayah tipe-p kanan yang disebut pengumpul. Jika tidak ada yang tersisa R-n-junction, arus dalam rangkaian kolektor akan mendekati nol, karena resistansi sambungan balik sangat tinggi. Di hadapan arus di sebelah kiri R-n-junction arus juga muncul di rangkaian kolektor, dan arus di kolektor hanya sedikit lebih kecil dari arus di emitor (jika tegangan negatif diterapkan ke emitor, maka kiri R-n-junction akan dibalik dan praktis tidak akan ada arus di sirkuit emitor dan di sirkuit kolektor). Ketika tegangan dibuat antara emitor dan basis, pembawa utama semikonduktor tipe-p - lubang menembus ke basis, di mana mereka sudah menjadi pembawa kecil. Karena ketebalan basa sangat kecil dan jumlah pembawa mayoritas (elektron) di dalamnya kecil, lubang-lubang yang jatuh ke dalamnya hampir tidak bergabung (tidak bergabung kembali) dengan elektron basa dan menembus kolektor karena difusi. Benar R Persimpangan -n ditutup untuk pembawa muatan utama elektron basa, tetapi tidak untuk lubang. Di kolektor, lubang dibawa oleh medan listrik dan menutup sirkuit. Kekuatan percabangan arus ke sirkuit emitor dari basis sangat kecil, karena luas penampang alas pada bidang horizontal (lihat Gambar di atas) jauh lebih kecil daripada penampang di bidang vertikal.
Arus di kolektor, yang hampir sama dengan arus di emitor, berubah seiring dengan arus di emitor. Resistansi resistor R memiliki pengaruh kecil pada arus di kolektor, dan resistansi ini dapat dibuat cukup besar. Dengan mengontrol arus emitor dengan sumber tegangan AC yang termasuk dalam rangkaiannya, kita mendapatkan perubahan sinkron dalam tegangan melintasi resistor R .
Dengan resistansi resistor yang besar, perubahan tegangan yang melintasinya bisa puluhan ribu kali lebih besar daripada perubahan tegangan sinyal di rangkaian emitor. Ini berarti tegangan meningkat. Oleh karena itu, pada beban R dimungkinkan untuk memperoleh sinyal listrik yang dayanya berkali-kali lebih besar daripada daya yang masuk ke rangkaian emitor.
Aplikasi transistor Properti R-n-junction dalam semikonduktor digunakan untuk memperkuat dan menghasilkan osilasi listrik.
3
Semikonduktor menempati posisi menengah dalam konduktivitas listrik (atau resistivitas) antara konduktor dan dielektrik. Namun, pembagian semua zat ini sesuai dengan sifat konduktivitas listriknya adalah kondisional, karena di bawah pengaruh sejumlah alasan (pengotor, iradiasi, pemanasan), konduktivitas listrik dan resistivitas banyak zat berubah sangat signifikan, terutama untuk semikonduktor.
Dalam hal ini, semikonduktor dibedakan dari logam dengan sejumlah fitur:
1. Resistivitas semikonduktor dalam kondisi normal jauh lebih besar daripada logam;
2. resistansi spesifik semikonduktor murni menurun dengan meningkatnya suhu (untuk logam, meningkat);
3. ketika semikonduktor diterangi, resistansinya berkurang secara signifikan (cahaya hampir tidak berpengaruh pada resistansi logam):
4. Jumlah pengotor yang tidak signifikan memiliki efek kuat pada ketahanan semikonduktor.
12 unsur kimia milik semikonduktor di bagian tengah tabel periodik (Gbr. 1) - B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, I, senyawa unsur ketiga kelompok dengan unsur-unsur dari kelompok kelima, banyak oksida dan sulfida logam, sejumlah senyawa kimia lainnya, beberapa zat organik. Germanium Ge dan silikon Si memiliki aplikasi terbesar untuk sains dan teknologi.
Semikonduktor bisa murni atau didoping. Dengan demikian, konduktivitas intrinsik dan pengotor semikonduktor dibedakan. Kotoran, pada gilirannya, dibagi menjadi donor dan akseptor.
Konduktivitas listrik sendiri
Untuk memahami mekanisme konduktivitas listrik dalam semikonduktor, mari kita perhatikan struktur kristal semikonduktor dan sifat ikatan yang menahan atom kristal di dekat satu sama lain. Kristal germanium dan semikonduktor lainnya memiliki kisi kristal atom (Gbr. 2).
Diagram datar struktur germanium ditunjukkan pada Gambar 3.
Germanium adalah elemen tetravalen, di kulit terluar atom ada empat elektron yang lebih lemah terhubung ke nukleus daripada yang lain. Jumlah tetangga terdekat dari setiap atom germanium juga 4. Empat elektron valensi dari setiap atom germanium dihubungkan dengan elektron yang sama dari atom tetangga oleh pasangan elektron kimia ( kovalen) koneksi. Dalam pembentukan ikatan ini, satu elektron valensi berpartisipasi dari setiap atom, yang terpisah dari atom (dikumpulkan oleh kristal) dan, selama pergerakannya, menghabiskan sebagian besar waktunya di ruang antara atom tetangga. Muatan negatifnya membuat ion germanium positif saling berdekatan. Hubungan semacam ini dapat digambarkan secara kondisional oleh dua garis yang menghubungkan inti (lihat Gambar 3).
Tapi pasangan elektron keliling milik lebih dari dua atom. Setiap atom membentuk empat ikatan dengan tetangganya, dan elektron valensi tertentu dapat bergerak sepanjang salah satu dari mereka (Gbr. 4). Setelah mencapai atom tetangga, ia dapat melanjutkan ke yang berikutnya, dan kemudian lebih jauh di sepanjang seluruh kristal. Elektron valensi kolektif milik seluruh kristal.
Ikatan kovalen germanium cukup kuat dan tidak putus pada suhu rendah. Oleh karena itu, germanium tidak menghantarkan listrik pada suhu rendah. Elektron valensi yang berpartisipasi dalam ikatan atom melekat erat pada kisi kristal, dan medan listrik eksternal tidak memiliki efek nyata pada pergerakannya. Kristal silikon memiliki struktur yang serupa.
Konduktivitas listrik semikonduktor murni secara kimia dimungkinkan ketika ikatan kovalen dalam kristal terputus dan elektron bebas muncul.
Energi ekstra yang harus dikeluarkan untuk memutuskan ikatan kovalen dan membebaskan elektron disebut energi aktivasi.
Elektron dapat memperoleh energi ini dengan memanaskan kristal, dengan menyinarinya dengan gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi, dll.
Segera setelah elektron, setelah memperoleh energi yang diperlukan, meninggalkan ikatan yang terlokalisasi, kekosongan terbentuk di atasnya. Kekosongan ini dapat dengan mudah diisi oleh elektron dari ikatan tetangga, di mana, oleh karena itu, kekosongan juga terbentuk. Jadi, karena pergerakan elektron ikatan, kekosongan bergerak di seluruh kristal. Kekosongan ini berperilaku dengan cara yang persis sama seperti elektron bebas - ia bergerak bebas melalui sebagian besar semikonduktor. Selain itu, mengingat bahwa baik semikonduktor secara keseluruhan dan masing-masing atomnya secara elektrik netral dengan ikatan kovalen yang tidak terputus, kita dapat mengatakan bahwa elektron yang meninggalkan ikatan dan pembentukan kekosongan sebenarnya setara dengan munculnya muatan positif berlebih pada ikatan ini. Oleh karena itu, kekosongan yang dihasilkan dapat secara formal dianggap sebagai pembawa muatan positif, yang disebut lubang(Gbr. 5).
Dengan demikian, pelepasan elektron dari ikatan lokal menghasilkan sepasang pembawa muatan bebas - elektron dan lubang. Konsentrasi mereka dalam semikonduktor murni adalah sama. Pada suhu kamar, konsentrasi pembawa bebas dalam semikonduktor murni rendah, sekitar 10 9 10 10 kali lebih kecil dari konsentrasi atom, tetapi meningkat dengan cepat dengan meningkatnya suhu.
- Bandingkan dengan logam: di sana konsentrasi elektron bebas kira-kira sama dengan konsentrasi atom.
Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, elektron dan lubang bebas ini bergerak secara acak dalam kristal semikonduktor.
Dalam medan listrik eksternal, elektron bergerak ke arah yang berlawanan dengan arah kuat medan listrik. Lubang positif bergerak searah dengan kuat medan listrik (Gbr. 6). Proses pergerakan elektron dan hole dalam medan luar terjadi di seluruh volume semikonduktor.
Konduktivitas listrik total semikonduktor adalah jumlah dari konduktivitas lubang dan elektron. Dalam hal ini, dalam semikonduktor murni, jumlah elektron konduksi selalu sama dengan jumlah lubang. Oleh karena itu, semikonduktor murni dikatakan memiliki konduktivitas lubang elektron, atau konduktivitas sendiri.
Dengan peningkatan suhu, jumlah pemutusan ikatan kovalen meningkat dan jumlah elektron bebas dan lubang dalam kristal semikonduktor murni meningkat, dan, akibatnya, konduktivitas listrik meningkat dan resistivitas semikonduktor murni menurun. Grafik ketergantungan resistivitas semikonduktor murni pada suhu ditunjukkan pada gambar. 7.
Selain pemanasan, pemutusan ikatan kovalen dan, sebagai akibatnya, munculnya konduktivitas intrinsik semikonduktor dan penurunan resistivitas dapat disebabkan oleh iluminasi (fotokonduktivitas semikonduktor), serta oleh aksi medan listrik yang kuat. .
Konduktivitas pengotor semikonduktor
Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan pengenalan pengotor, ketika, bersama dengan konduktivitas intrinsik, konduktivitas pengotor tambahan muncul.
konduktivitas pengotor semikonduktor disebut konduktivitas, karena adanya pengotor dalam semikonduktor.
Pusat pengotor dapat berupa:
1. atom atau ion unsur kimia yang tertanam dalam kisi semikonduktor;
2. kelebihan atom atau ion yang tertanam dalam celah kisi;
3. berbagai cacat dan distorsi lain dalam kisi kristal: simpul kosong, retakan, pergeseran yang terjadi selama deformasi kristal, dll.
Dengan mengubah konsentrasi pengotor, seseorang dapat secara signifikan meningkatkan jumlah pembawa muatan dari satu tanda atau lainnya dan membuat semikonduktor dengan konsentrasi dominan pembawa muatan negatif atau positif.
Kotoran dapat dibagi menjadi donor (menyumbang) dan akseptor (menerima).
Pengotor donor
- Dari bahasa Latin "donare" - memberi, menyumbang.
Mari kita pertimbangkan mekanisme konduktivitas listrik semikonduktor dengan pengotor pentavalen donor arsenik As, yang dimasukkan ke dalam kristal, misalnya, silikon. Atom arsenik pentavalen menyumbangkan empat elektron valensi untuk membentuk ikatan kovalen, dan elektron kelima tidak ditempati dalam ikatan ini (Gbr. 8).
Energi pelepasan (energi ionisasi) elektron valensi kelima arsenik dalam silikon adalah 0,05 eV = 0,08⋅10 -19 J, yang 20 kali lebih kecil daripada energi pelepasan elektron dari atom silikon. Oleh karena itu, sudah pada suhu kamar, hampir semua atom arsenik kehilangan salah satu elektronnya dan menjadi ion positif. Ion arsenik positif tidak dapat menangkap elektron dari atom tetangga, karena keempat ikatannya sudah dilengkapi dengan elektron. Dalam hal ini, pergerakan kekosongan elektron - "lubang" tidak terjadi dan konduktivitas lubang sangat rendah, mis. praktis tidak ada.
Pengotor donor- ini adalah pengotor yang dengan mudah menyumbangkan elektron dan, akibatnya, meningkatkan jumlah elektron bebas. Di hadapan medan listrik, elektron bebas bergerak teratur dalam kristal semikonduktor, dan konduksi pengotor elektronik muncul di dalamnya. Akibatnya, kita mendapatkan semikonduktor dengan konduktivitas elektronik yang dominan, yang disebut semikonduktor tipe-n. (Dari bahasa Latin negativus - negatif).
Karena jumlah elektron dalam semikonduktor tipe-n jauh lebih besar daripada jumlah lubang, elektron adalah pembawa muatan mayoritas, dan lubang adalah yang kecil.
Pengotor akseptor
- Dari bahasa Latin "akseptor" - penerima.
Dalam kasus pengotor akseptor, misalnya, indium trivalen In, atom pengotor dapat memberikan tiga elektronnya untuk ikatan kovalen dengan hanya tiga atom silikon tetangga, dan satu elektron "hilang" (Gbr. 9). Salah satu elektron dari atom silikon tetangga dapat mengisi ikatan ini, maka atom In akan menjadi ion negatif yang tidak bergerak, dan sebuah lubang akan terbentuk menggantikan elektron yang meninggalkan salah satu atom silikon. Pengotor akseptor, menangkap elektron dan dengan demikian menciptakan lubang bergerak, tidak menambah jumlah elektron konduksi. Pembawa muatan utama dalam semikonduktor dengan pengotor akseptor adalah lubang, dan pembawa minoritas adalah elektron.
Kotoran akseptor adalah pengotor yang memberikan konduktivitas lubang.
Semikonduktor di mana konsentrasi lubang melebihi konsentrasi elektron konduksi disebut semikonduktor tipe-p (dari bahasa Latin positivus - positif.).
Perlu dicatat bahwa masuknya pengotor ke dalam semikonduktor, seperti pada logam apa pun, mengganggu struktur kisi kristal dan menghambat pergerakan elektron. Namun, resistansi tidak meningkat karena fakta bahwa peningkatan konsentrasi pembawa muatan secara signifikan mengurangi resistansi. Dengan demikian, pengenalan pengotor boron dalam jumlah 1 atom per seratus ribu atom silikon mengurangi resistivitas listrik silikon sekitar seribu kali, dan pencampuran satu atom indium per 108 - 109 atom germanium mengurangi resistivitas listrik. germanium jutaan kali.
Jika pengotor donor dan akseptor secara bersamaan dimasukkan ke dalam semikonduktor, maka sifat konduktivitas semikonduktor (tipe-n atau p) ditentukan oleh pengotor dengan konsentrasi pembawa muatan yang lebih tinggi.
Transisi elektron-lubang
Transisi lubang elektron (disingkat p-n-junction) terjadi pada kristal semikonduktor yang secara simultan memiliki daerah dengan konduktivitas tipe-n (mengandung pengotor donor) dan tipe-p (dengan pengotor akseptor) pada batas antara wilayah ini.
Misalkan kita memiliki kristal di mana di sebelah kiri ada daerah semikonduktor dengan lubang (tipe-p), dan di sebelah kanan - dengan konduktivitas elektronik (tipe-n) (Gbr. 10). Karena gerakan termal selama pembentukan kontak, elektron dari semikonduktor tipe-n akan berdifusi ke wilayah tipe-p. Dalam hal ini, ion donor positif yang tidak terkompensasi akan tetap berada di wilayah tipe-n. Setelah melewati daerah dengan konduktivitas lubang, elektron dengan sangat cepat bergabung kembali dengan lubang, dan ion akseptor yang tidak terkompensasi terbentuk di daerah tipe-p.
Seperti elektron, lubang dari daerah tipe-p berdifusi ke daerah elektronik, meninggalkan ion akseptor bermuatan negatif yang tidak terkompensasi di daerah lubang. Setelah masuk ke wilayah elektronik, lubang bergabung kembali dengan elektron. Akibatnya, ion donor positif yang tidak terkompensasi terbentuk di wilayah elektronik.
Sebagai hasil difusi, lapisan listrik ganda dari ion bermuatan berlawanan terbentuk pada batas antara daerah ini, ketebalan aku yang tidak melebihi pecahan mikrometer.
Medan listrik muncul di antara lapisan ion dengan kekuatan Ei. Medan listrik dari sambungan elektron-lubang (p-n-junction) mencegah transisi lebih lanjut dari elektron dan lubang melalui antarmuka antara dua semikonduktor. Lapisan pemblokiran memiliki resistensi yang meningkat dibandingkan dengan volume semikonduktor lainnya.
Medan listrik eksternal dengan intensitas E mempengaruhi hambatan medan listrik pemblokiran. Jika n-semikonduktor terhubung ke kutub negatif sumber, dan plus dari sumber 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 (Gbr. 11). Elektron, melintasi batas, "mengisi" lubang. Dengan arah langsung medan listrik eksternal, ketebalan lapisan penghalang dan hambatannya terus berkurang. Dalam arah ini, arus listrik melewati p-n junction.
Arah persimpangan p-n yang dipertimbangkan disebut langsung. Ketergantungan arus pada tegangan, mis. karakteristik volt-ampere transisi langsung, ditunjukkan pada Gambar. 12 sebagai garis yang solid.
Jika n-semikonduktor dihubungkan ke kutub positif sumber, dan p-semikonduktor dihubungkan ke negatif, maka elektron di n-semikonduktor dan lubang di p-semikonduktor akan bergerak dari antarmuka dalam arah yang berlawanan di bawah aksi medan listrik (Gbr. 13). Hal ini menyebabkan penebalan lapisan penghalang dan peningkatan ketahanannya. Arah medan listrik eksternal yang memperluas lapisan penghalang disebut penguncian (membalik). Dengan arah medan eksternal ini, arus listrik pembawa muatan utama tidak melewati kontak dua semikonduktor p dan p.
Arus yang melalui p-n junction sekarang disebabkan oleh elektron yang berada dalam semikonduktor tipe-p dan lubang-lubang dari semikonduktor tipe-n. Tetapi ada sangat sedikit pembawa muatan minoritas, sehingga konduktivitas transisi menjadi tidak signifikan, dan resistansinya besar. Arah persimpangan p-n yang dipertimbangkan disebut membalik, karakteristik tegangan arusnya ditunjukkan pada Gambar. 12 garis putus-putus.
Harap dicatat bahwa skala pengukuran saat ini untuk transisi maju dan mundur berbeda seribu kali.
Perhatikan bahwa pada tegangan tertentu yang diterapkan dalam arah yang berlawanan, ada kerusakan(yaitu, penghancuran) dari p-n junction.
Semikonduktor
Termistor
Hambatan listrik semikonduktor sangat tergantung pada suhu. Properti ini digunakan untuk mengukur suhu dengan kekuatan arus di sirkuit dengan semikonduktor. Perangkat semacam itu disebut termistor atau termistor. Substansi semikonduktor ditempatkan dalam wadah pelindung logam, yang memiliki kabel berinsulasi untuk menghubungkan termistor ke sirkuit listrik.
Perubahan resistansi termistor selama pemanasan atau pendinginan memungkinkan untuk menggunakannya dalam alat pengukur suhu, untuk mempertahankan suhu konstan dalam perangkat otomatis - di ruang termostat tertutup, untuk menyediakan alarm kebakaran, dll. Termistor ada untuk mengukur keduanya sangat tinggi ( T 1300 K) dan sangat rendah ( T 4 - 80 K) suhu.
Representasi skematis (Gbr. a) dan foto (Gbr. b) termistor ditunjukkan pada Gambar 14.
Beras. empat belas Fotoresistor
Konduktivitas listrik semikonduktor meningkat tidak hanya ketika dipanaskan, tetapi juga ketika diterangi. Konduktivitas listrik meningkat karena pemutusan ikatan dan pembentukan elektron bebas dan lubang karena energi insiden cahaya pada semikonduktor.
Perangkat yang memperhitungkan ketergantungan konduktivitas listrik semikonduktor pada penerangan disebut fotoresistor.
Bahan untuk pembuatan fotoresistor adalah senyawa seperti CdS, CdSe, PbS dan sejumlah lainnya.
Ukuran kecil dan sensitivitas tinggi dari fotoresistor memungkinkan untuk menggunakannya untuk merekam dan mengukur fluks cahaya yang lemah. Dengan bantuan fotoresistor, kualitas permukaan ditentukan, dimensi produk dikontrol, dll.
Representasi skematis (Gbr. a) dan foto (Gbr. b) dari fotoresistor ditunjukkan pada Gambar 15.
Beras. limabelas dioda semikonduktor
Kemampuan sambungan p-n untuk melewatkan arus dalam satu arah digunakan dalam perangkat semikonduktor yang disebut dioda.
Dioda semikonduktor terbuat dari germanium, silikon, selenium dan zat lainnya.
Untuk mencegah efek berbahaya dari udara dan cahaya, kristal germanium ditempatkan dalam wadah logam kedap udara. Dioda semikonduktor adalah elemen utama penyearah AC (lebih tepatnya, mereka berfungsi untuk mengubah AC menjadi arus DC yang berdenyut.)
Representasi skema (Gbr. a) dan foto (Gbr. b) dari dioda semikonduktor ditunjukkan pada Gambar 16.
Beras. 16 LED
Dioda pemancar cahaya atau dioda pemancar cahaya- perangkat semikonduktor dengan sambungan p-n yang menciptakan radiasi optik ketika arus listrik melewatinya.
Cahaya yang dipancarkan terletak pada rentang spektrum yang sempit, karakteristik spektralnya tergantung, antara lain, pada komposisi kimia semikonduktor yang digunakan di dalamnya.
literatur
- Aksenovich L. A. Fisika di sekolah menengah: Teori. Tugas. Tes: Prok. tunjangan bagi lembaga penyelenggara umum. lingkungan, pendidikan / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 300-308.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. Fisika dari A sampai Z: untuk siswa, pelamar, tutor. - Minsk: Paradoks, 2000. - S. 219-228.
- Myakishev G.Ya.Fisika: Elektrodinamika. 10 - 11 sel: buku teks untuk studi fisika yang mendalam / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.: Bustard, 2005. - S. 309-320.
- Yavorsky BM, Seleznev Yu. A. Panduan referensi fisika bagi mereka yang memasuki universitas dan pendidikan mandiri. - M.: Nauka, 1984. - S. 165-169.
>> 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 di kulit terluar atomnya terdapat empat elektron yang relatif lemah terikat pada nukleus. Jumlah tetangga terdekat dari setiap atom silikon juga empat. Diagram struktur kristal silikon ditunjukkan pada Gambar 16.5.
Interaksi sepasang 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. Saat 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, terbentuk 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 (konduktivitas 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 Pengaya abstrak artikel chip 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 TerintegrasiJika Anda memiliki koreksi atau saran untuk pelajaran ini,
