Prinsip dasar teori pita benda padat

Struktur diskrit spektrum energi elektron dalam suatu atom juga diamati pada kumpulan atom jika jarak antar atom lebih dari 1 nm.

Pada jarak yang ditempati atom dalam kristal, yaitu kurang dari 1 nm, terjadi interaksi di antara keduanya. Elektron suatu atom ditarik oleh inti atom tetangganya. Akibat interaksi tersebut, ketinggian penghalang potensial elektron berkurang dan medan potensial berbentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1. Ketinggian penghalang potensial dalam kristal Na menjadi lebih kecil dari energi level elektron 3 detik(elektron valensi). Elektron ini mampu bergerak bebas ke seluruh kristal dengan kecepatan tertentu ay» 10 5 -10 6 m/s. Karena efek terowongan, elektron di bawah tingkat terendah juga dapat bergerak di dalam kristal, tetapi dengan kecepatan yang jauh lebih rendah.

Kebebasan pergerakan elektron dalam kristal mengarah pada fakta bahwa sejumlah besar elektron harus memiliki nilai energi yang sama. Namun hal ini bertentangan dengan prinsip Pauli. Oleh karena itu, sebagai hasil interaksi atom dan elektron, tingkat energi diskrit dari atom-atom terisolasi dalam kristal dipecah menjadi sejumlah besar tingkat dengan nilai energi berbeda (Gbr. 3.2). Dan pada setiap tingkat tersebut tidak boleh terdapat lebih dari dua elektron dengan spin berlawanan. Banyaknya level sama dengan jumlah atom dalam kristal – N. Prinsip Pauli dalam hal ini juga terpenuhi dalam kristal.

Jadi, selama pembentukan kristal, tingkat energi diskrit dari elektron atom yang terisolasi dipecah menjadi pita energi yang diizinkan, yang dipisahkan oleh pita terlarang (Gbr. 3.3). Dalam celah pita, elektron tidak dapat mempunyai energi.

Lebar pita energi maksimum pada pita yang dibentuk oleh elektron valensi. Lebar pita di bawahnya lebih kecil dan minimal untuk elektron keadaan 1 S.

Lebar pita energi dapat diperkirakan berdasarkan hubungan ketidakpastian Heisenberg:

Di Sini: Dt = A/ay– waktu yang dihabiskan oleh elektron dalam satu atom, A– jarak antar atom (dalam kristal Na A= 4,3å), ay» 10 6 m/s (lihat di atas); DE adalah ketidakpastian nilai energi elektron, yaitu kisaran nilai energi yang dapat diterima suatu elektron. Kemudian untuk pita energi kristal Na terbentuk dari level 3 S, kita mendapatkan:

» 2,45*10 -19 J atau DE ³ 1,5 eV,

yaitu lebar pita energi sekitar 1,5 eV.

Setiap pita energi yang diperbolehkan dibentuk oleh N tingkat energi, untuk padatan N » 10 22 cm -3. Lebar pita energi » 1,5 eV. Oleh karena itu, jarak antar level dalam pita energi yang diperbolehkan sangatlah kecil (»10 -22 eV). Dalam hal ini, kita dapat mengatakan bahwa di dalam zona tersebut elektron dapat mengambil hampir semua nilai energi.

Konduktor, dielektrik, semikonduktor

Massa elektron efektif

Interaksi elektron dengan kisi kristal begitu kompleks sehingga memperhitungkan interaksi ini secara langsung menimbulkan kesulitan yang serius. Namun, hal ini dapat diatasi dengan memasukkan apa yang disebut massa efektif elektron M*.

Mengatribusikan massa ke elektron yang terletak di kristal M*, kita dapat menganggapnya gratis. Dalam hal ini, pergerakannya dalam kristal dapat digambarkan serupa dengan pergerakan elektron bebas. Perbedaan antara M* Dan M disebabkan oleh interaksi elektron dengan bidang periodik kisi kristal. Dengan menetapkan massa efektif pada sebuah elektron, kami memperhitungkan interaksi ini.

Mari kita melakukan analisis grafis-analitik terhadap perilaku elektron dalam pita energi ganjil yang diperbolehkan untuk kristal satu dimensi.

Pada Gambar. ketergantungan dispersi diberikan ( E=f(k)) untuk sebuah elektron. Dalam kasus yang dipertimbangkan, ini dapat diwakili oleh fungsi yang mirip dengan . Pada Gambar. menunjukkan ketergantungan kecepatan elektron pada bilangan gelombang ( v~dE/dk ). Grafiknya mudah dibuat jika Anda mengingat arti geometri turunan pertama. Pada titik-titik -P/A, 0, P/A kecepatan ay = 0. Pada titik - P/2a Dan P/2a kecepatan maksimum dalam kasus pertama ay <0 во втором ay >0. Kami mendapatkan jadwalnya v~dE / dk , mirip dengan segmen sinusoidal. Grafik pada Gambar. w ~ d 2 E / dk 2 dibangun dengan cara yang sama, karena mewakili turunan pertama dari grafik pada Gambar.

Sekarang grafik pada Gambar., yang menampilkan massa efektif elektron:

Pada k= nilai 0 d 2E / dk 2 maksimum dan positif, sehingga massa efektif M* minimal dan >0. Ketika nilai absolut meningkat k massa efektif meningkat namun tetap positif. Saat mendekat k ke poin -P/2a Dan P/2a besarnya d 2 E/dk 2 bernilai positif dan berkurang menjadi nol. Oleh karena itu massa efektif M* cenderung +¥ dan pada titik -P/2a Dan P/2a mengalami pecah.

Pada titik-titik -P/A Dan P/A besarnya d 2E / dk 2 dalam nilai absolutnya maksimum dan negatif. Oleh karena itu, di tepi zona Brillouin, di bagian atas zona energi dalam kasus yang dipertimbangkan, massa efektif elektron M* minimal dan negatif. Ketika nilai absolutnya menurun k besarnya M* peningkatan nilai absolut namun tetap negatif. Saat mendekat k ke poin -P/2a Dan P/2a fungsi m* = f( k) cenderung -¥ yaitu mengalami diskontinuitas.

Grafik yang dihasilkan menunjukkan bahwa massa efektif elektron berada di bagian bawah pita energi M* minimal dan positif. Elektron tersebut, dalam kondisi yang sesuai, bereaksi terhadap medan listrik eksternal dan berakselerasi ke arah yang berlawanan dengan vektor kuat medan (Gbr. 3.10). Ketika energi elektron meningkat dan bergerak menuju tengah pita energi yang diperbolehkan, nilainya M* meningkat dan responsnya terhadap medan listrik melemah. Jika sebuah elektron berada di tengah pita energi, massa efektifnya cenderung tak terhingga, elektron tersebut tidak akan bereaksi terhadap medan listrik eksternal.

Di bagian atas zona, massa efektif elektron bernilai negatif. Oleh karena itu, meskipun gaya yang bekerja dari medan berlawanan arah dengan medan, percepatan elektron terjadi searah dengan medan listrik.

Tetapi sebuah partikel dengan muatan positif dan massa efektif positif akan bereaksi terhadap medan listrik dengan cara yang persis sama.

Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa elektron pada batas atas pita energi yang diizinkan adalah serupa dengan partikel bermuatan positif, yang secara numerik sama dengan muatan elektron, dan bermassa positif, yang secara numerik sama dengan massa efektif negatif elektron. .

Semikonduktor berpemilik

Semikonduktor yang murni secara kimia, yaitu semikonduktor tanpa pengotor, disebut semikonduktor intrinsik.

Pada suhu nol mutlak T=0K, pita valensi semikonduktor intrinsik terisi penuh dengan elektron. Pita konduksi kosong. Oleh karena itu, pada T=0K, semikonduktor intrinsik, seperti dielektrik, memiliki konduktivitas nol s = 1/r , Di mana R - resistensi spesifik.

Dengan meningkatnya suhu, getaran termal atom-atom kisi kristal semikonduktor terjadi. Elektron pita valensi dapat menerima energi dari getaran termal kisi kristal (dengan menyerap fonon) ³ Misalnya. Dalam hal ini elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Ada banyak tingkat energi bebas di zona ini. Oleh karena itu, elektron pita konduksi dapat mengubah energi di bawah pengaruh medan listrik dan berpartisipasi dalam penciptaan arus listrik. Oleh karena itu namanya – elektron konduksi.

Keadaan tidak terisi terjadi pada pita valensi, yang disebut lubang. Dengan adanya medan listrik luar, elektron pita valensi yang paling dekat dengan lubang akan memasukinya, meninggalkan lubang baru yang diisi oleh elektron berikutnya, dan seterusnya. Jadi, keberadaan lubang memungkinkan elektron pada pita valensi mengubah keadaan energinya, yaitu berpartisipasi dalam penciptaan arus listrik. Lubang bergerak ke arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron (Gbr. 3.12 ). Akibatnya, ia berperilaku sebagai pembawa muatan positif, yang nilai absolutnya sama dengan muatan elektron. Ingat pertanyaan tentang perilaku elektron dan massa efektifnya di bagian atas pita energi. Konsep “lubang” digunakan untuk menggambarkan perilaku elektron pita valensi. Elektron dan lubang konduksi merupakan pembawa muatan bebas dalam semikonduktor dan menjamin aliran arus listrik di dalamnya.

Bersamaan dengan proses pembangkitan termal elektron dan lubang - pasangan lubang elektron - muncul proses sebaliknya: rekombinasi elektron dan lubang. Elektron pita konduksi, yang bergerak dalam volume semikonduktor, bertemu dengan lubang dan berpindah ke tempatnya, mengisi keadaan bebas di pita valensi. Dalam hal ini, kelebihan energi dilepaskan dalam bentuk fonon atau foton. Tindakan simultan dari proses pembangkitan dan rekombinasi mengarah pada pembentukan konsentrasi keseimbangan pembawa muatan dalam semikonduktor. Dalam semikonduktor intrinsik, konsentrasi elektron kesetimbangan adalah n 0 dan lubang hal 0 sama: n 0=hal 0=dan saya; dan saya– besaran ini disebut konsentrasi intrinsik pembawa muatan. Jelas bahwa pekerjaan itu

n 0 р 0 =n saya 2

Persamaan penting ini berlaku untuk semikonduktor dalam keadaan kesetimbangan termodinamika, yaitu ketika semikonduktor tidak terkena pengaruh fisik apa pun. Hal ini berlaku tidak hanya untuk semikonduktor intrinsik, tetapi juga untuk segala pengotor. . Persamaan tersebut banyak digunakan dalam teori semikonduktor dan disebut persamaan semikonduktor atau hukum aksi massa, dengan analogi dengan terminologi termodinamika kimia.

Dari penjelasan di atas, dua kesimpulan penting dapat ditarik:

1. Konduktivitas semikonduktor adalah konduktivitas tereksitasi. Tampaknya di bawah pengaruh faktor eksternal yang dapat memberikan energi lebih besar pada elektron pita valensi Misalnya– cukup untuk transisinya dari pita valensi ke pita konduksi. Ini bisa berupa memanaskan semikonduktor, menyinarinya dengan cahaya, dan sebagainya.

2. Pembagian benda menjadi semikonduktor dan dielektrik sebagian besar bersifat kondisional. Intan, yang merupakan dielektrik yang sangat baik pada suhu kamar, menunjukkan konduktivitas yang nyata pada suhu tinggi dan berperilaku seperti semikonduktor.

Semikonduktor pengotor

Untuk memberikan semikonduktor karakteristik listrik yang diperlukan, pengotor dimasukkan ke dalamnya. Atom pengotor ada dua jenis.

Biarkan beberapa atom semikonduktor Si asli digantikan oleh atom arsenik pentavalen As (Gbr. 3.13). Atom arsenik menggunakan empat elektron valensinya untuk ikatan kovalen baru dengan empat atom Si tetangga. Elektron kelima tidak ikut serta dalam pembentukan ikatan. Energi pengikatannya dengan inti atom As berkurang sekitar e 2 kali dimana e- konstanta dielektrik Si (e » 12). Elektron ini membentuk tingkat energi ED, terletak di celah pita di bagian bawah pita konduksi E S(Gbr. 3.14). Besarnya DE D=E S-ED» 0,049 eV. Saat memberikan energi ke elektron tersebut ³ DE D mereka meninggalkan atom As dan berpindah ke pita konduksi, di mana mereka menjadi pembawa muatan bebas. Ion As positif yang terbentuk dalam hal ini tidak ikut serta dalam konduktivitas listrik, karena mereka terhubung ke kisi kristal Si melalui ikatan kovalen.

Pengotor yang memberikan elektron pada pita konduksi disebut pengotor donor atau sekadar donor. Dan tingkat energi elektron dari pengotor ini disebut tingkat donor dan ditetapkan ED.

Misalkan sekarang beberapa atom semikonduktor digantikan oleh atom boron B trivalen (Gbr. 3.15). Untuk membentuk ikatan dengan empat atom Si tetangga terdekat, atom B kekurangan satu elektron. Elektron yang hilang dapat ditangkap oleh atom B dari atom Si tetangganya. Untuk melakukan ini, elektron pada pita valensi harus diberi energi ≥0,045 eV. Ikatan kovalen putus yang muncul pada atom Si melambangkan lubang yang muncul pada pita valensi - pembawa muatan bebas. Sebuah elektron yang ditangkap oleh atom B membentuk tingkat energi EA, terletak di celah pita dekat bagian atas pita valensi (Gbr. 3.16). Besarnya DE A=E A -E V»0,045 eV sama dengan energi yang harus diterima elektron agar dapat ditangkap oleh atom B.

Pengotor yang menangkap elektron dari pita valensi semikonduktor disebut pengotor akseptor atau hanya akseptor. Tingkat pengotor ini disebut tingkat akseptor dan ditetapkan EA.

Perbedaan antara semikonduktor intrinsik dan pengotor ditentukan oleh tingkat pengaruh pengotor terhadap konduktivitas. Jika konsentrasi donor N D>>dan saya, maka kontribusi utama terhadap konduktivitas listrik berasal dari elektron pita konduksi, karena n 0>>hal 0. Dalam hal ini, kita berurusan dengan semikonduktor tipe-n atau semikonduktor elektronik. Pada semikonduktor tipe-n, elektron merupakan pembawa muatan mayoritas dan hole merupakan pembawa muatan minoritas.

Misalnya, semikonduktor Si dengan dan saya=10 10 cm -3 . Misalkan N A » 10 13 cm -3 . Dalam hal ini, konsentrasi lubang, seperti yang akan ditunjukkan di bawah, hal 0» 10 13 cm -3 . Konsentrasi elektron menurut persamaan semikonduktor (3.7) N 0 = n 2 saya/P 0 = 10 7 cm -3 dan hal 0>>n 0, semikonduktor tipe-p. Hal yang sama juga berlaku dalam kasus pengotor donor.

ketebalan sambungan pn

Ketebalan p-n-transisi ditentukan oleh batas luar muatan ruang (Gbr. 6.2c). Perhitungan menunjukkan bahwa ketebalan lapisan muatan ruang di wilayah tersebut p-n-transisi ditentukan oleh ekspresi:

D = = ; ; d n + d p = d . (6.4)

Di Sini: d n N-wilayah, d r– ketebalan lapisan muatan ruang dalam R-wilayah Semakin besar ketebalan lapisan muatan ruang, semakin rendah konsentrasi pembawa muatan utama, yang sama dengan konsentrasi pengotor yang bersangkutan. Dalam hal ini, ketebalan lapisan lebih besar di area yang konsentrasi pengotornya lebih rendah. Misalnya kapan N D << tidak ada hampir semuanya p-n- transisi dilokalisasi di N-wilayah

Jadi untuk Si di N D=10 14 cm -3 , tidak ada=10 16 cm -3 , V K=0,59V, D=2,8 mikron, d n=2,77 mikron, d hal=0,028 mikron. Oleh karena itu, bidang beda potensial kontak terlokalisasi di wilayah di mana ketebalan lapisan muatan ruang lebih besar.

Sangat menarik untuk memperkirakan kekuatan medan di p-n-transisi: Ek = Vk/D= 2.1*10 5 V/m – nilai yang sangat besar.

Emisi termionik

Seperti diketahui, untuk mentransfer elektron dari benda padat ke ruang hampa, diperlukan sejumlah energi. Gambar menunjukkan diagram energi suatu logam, dimana tingkat energi nol adalah tingkat vakum E VAK. Ini merupakan tingkat referensi karena elektron pada tingkat ini tidak berinteraksi dengan logam.

Distribusi elektron dalam suatu logam ditentukan oleh energi Fermi E FM.. Untuk mentransfer elektron dari benda padat ke ruang hampa, diperlukan energi E VAK – E FM., Energi ini disebut fungsi kerja termionik logam dan dilambangkan dengan F M. . Jelas bahwa hanya elektron yang mempunyai energi ³ yang dapat meninggalkan logam F M. Jelasnya, semakin tinggi suhu logam, semakin banyak elektron yang mampu memperoleh energi yang cukup untuk berpindah ke ruang hampa.

Fenomena elektron meninggalkan benda padat karena eksitasi termalnya disebut emisi termionik.

Kepadatan arus emisi termionik ditentukan oleh ekspresi:

j TE = T 2 = PADA 2 , (6.14)

Di mana A– Konstanta Richardson, sama untuk semua logam. Ukuran F M dapat ditentukan secara eksperimental dengan mengukur arus emisi termionik pada suhu yang berbeda.

Dalam semikonduktor, pelepasan elektron ke dalam ruang hampa ditandai dengan energi afinitas elektron c P– energi yang harus diberikan kepada elektron agar elektron berpindah dari dasar pita konduksi ke ruang hampa. Untuk semikonduktor apa pun, kuantitasnya c P tidak seperti fungsi kerja F P = E VAK – E F P tidak bergantung pada derajat doping dengan pengotor.

Arus emisi termionik semikonduktor ditentukan oleh hubungan yang sama (6.14) seperti untuk logam, dengan mempertimbangkan penggantian F M pada F P. Karena dalam semikonduktor posisi level Fermi E F P tergantung pada suhu, sifat dan konsentrasi pengotor, maka fungsi kerja termionik juga akan ditentukan oleh parameter tersebut. Untuk logam dan semikonduktor F berjumlah beberapa elektron volt.

Penyerapan kotoran cahaya

Dalam semikonduktor pengotor, di bawah pengaruh cahaya, elektron dapat ditransfer dari tingkat donor ke pita konduksi atau dari pita valensi ke tingkat akseptor. Untuk ini, kuantum cahaya harus memiliki energi hn phot ³ DE D, DE A (Gbr....). Penyerapan cahaya ini disebut penyerapan pengotor. Semakin rendah energi ionisasi pengotor yang bersangkutan, semakin kuat pergeseran batas serapan ini ke arah panjang gelombang cahaya yang lebih panjang.

Perlu diingat bahwa jika atom pengotor sudah terionisasi, maka penyerapan pengotor tidak akan terjadi. Karena suhu ionisasi sempurna suatu pengotor menurun dengan menurunnya energi DE D atau DE A, untuk mengamati penyerapan pengotor gelombang panjang, semikonduktor perlu didinginkan hingga suhu yang cukup rendah. Misalnya spektrum serapan pengotor Ge yang didoping emas Au dengan DE PR = 0,08 eV dengan batas serapan l = 9 m diamati pada suhu nitrogen cair T = 77 K. Koefisien serapan pengotor bergantung pada konsentrasi pengotor dan terletak di dalam sebuah PR » 1…10 cm -1 .

Rekombinasi radiasi.

Perbedaan dibuat antara rekombinasi non-radiatif dan radiasi (lihat.....). Rekombinasi radiasi, pada gilirannya, dibagi lagi menjadi spontan (spontan) dan diinduksi (dipaksakan).

Selama rekombinasi spontan, sebuah elektron secara spontan, karena masa hidupnya yang terbatas, berpindah dari pita konduksi ke tingkat bebas (sebagai pengganti lubang) di pita valensi, melepaskan sebagian energinya dalam bentuk kuantum cahaya, foton dengan energi E foto = hν = E n -E p , dengan h adalah konstanta Planck; ν – frekuensi cahaya; E n dan E p – energi penggabungan ulang elektron dan lubang.

Rekombinasi terinduksi terjadi di bawah pengaruh cahaya. Elektron pita konduksi tidak berpindah secara spontan ke pita valensi, tetapi dipaksa jika “didorong” oleh foton berenergi hν. cukup dekat dengan perbedaan E n -E p . Dalam hal ini, foton sekunder akan dipancarkan, yang pada dasarnya tidak berbeda dengan foton yang menyebabkan rekombinasi. Mereka memiliki frekuensi, fase, polarisasi dan arah rambat yang sama. Ini berarti bahwa amplifikasi cahaya dimungkinkan dalam semikonduktor dalam kondisi tertentu. Sebuah semikonduktor terkena satu foton, dan sebagai hasil dari rekombinasi terinduksi, dua foton identik muncul: yang pertama, yang menyebabkan rekombinasi, dan yang kedua, yang muncul sebagai hasil rekombinasi (Gbr....).

Dioda pemancar cahaya.

Sangat sulit untuk menciptakan degenerasi elektron dan lubang secara simultan dalam satu kristal semikonduktor. Jauh lebih mudah untuk mencapai hal ini dengan menggunakan dua semikonduktor pengotor, salah satunya mengalami degenerasi dalam elektron, yang lainnya dalam lubang. Kontak dua semikonduktor tersebut mengarah pada pembentukan sambungan p-n. Agar kondisi di wilayah transisi terpenuhi

perlu untuk menerapkan tegangan dalam arah maju yang lebih besar dari Eg/q V. Dalam hal ini, di daerah persimpangan p-n akan terjadi degenerasi elektron dan lubang secara simultan. Ketika sambungan diberi bias maju, arus listrik akan mengalir melaluinya, terdiri dari dua komponen: elektron dan lubang yang bergerak menuju satu sama lain. Pembawa muatan disuntikkan ke persimpangan. Oleh karena itu nama perangkat semikonduktor kelas ini. Kedua aliran partikel ini bertemu di lapisan persimpangan tipis dan bergabung kembali, memancarkan cahaya. Ini adalah dasar kerja dioda pemancar cahaya. Jika sambungan p-n ditempatkan di rongga optik, kita memperoleh radiasi laser.

Untuk pembuatan perangkat semikonduktor pemancar cahaya, semikonduktor celah langsung digunakan. Salah satu GaA yang paling umum.

Struktur dioda pemancar cahaya (LED) injeksi ditunjukkan pada Gambar..... Lapisan epitaksi GaAs tipe-p diendapkan pada substrat GaAs tipe-n. Persimpangan p-n terjadi. Untuk mengurangi penyerapan radiasi optik pada GaAs tipe-p, sebuah lubang dibuat, yang bagian bawahnya hampir mencapai transisi. Untuk mensuplai tegangan suplai, elektroda logam digunakan pada struktur. Ketika bias maju diterapkan pada LED, pembawa muatan disuntikkan ke sambungan pn dan mengalami rekombinasi radiasi spontan. Transisi bersinar dan radiasi dikeluarkan dari dioda dalam arah tegak lurus terhadap bidang transisi. Arus injeksi pengoperasian LED berdaya rendah berada di urutan puluhan miliampere dengan daya radiasi optik beberapa miliwatt.

Struktur osilator kuantum semikonduktor (SQO) ditunjukkan pada Gambar...... Ini menyerupai struktur LED. Permukaan ujung diperoleh dengan memotong kristal semikonduktor sepanjang bidang kristalografi tertentu. Oleh karena itu, mereka mewakili permukaan datar ideal yang sejajar satu sama lain dan merupakan cermin dari resonator optik. Koefisien pantulan cermin ditentukan oleh pantulan cahaya Fresnel pada antarmuka antara dua media:

,

dimana n 1 = 1 adalah indeks bias udara, n 2 = 3,4 adalah indeks bias GaAs dan untuk R kita memperoleh nilai sebesar 0,3, yang cukup untuk memperoleh penguat laser. Radiasi optik merambat di persimpangan pn sepanjang struktur. Untuk mengatur keluaran radiasi satu sisi, lapisan reflektif diterapkan pada salah satu ujung kristal, misalnya film aluminium dengan koefisien refleksi ≈ 1. Untuk menekan pembangkitan optik dalam arah lateral, permukaan kristal adalah dibuat sedikit miring atau kasar. Salah satu elektroda logam untuk menyuplai tegangan suplai dibuat strip, ini melokalisasi wilayah pembangkitan laser pada arah lateral.

Arus pengoperasian dioda laser mencapai ratusan miliampere, yang biasanya memerlukan pemasangan kristal pada radiator untuk mencegah panas berlebih.

Spektrum emisi.

Lebar spektrum emisi LED ditentukan oleh derajat degenerasi pembawa muatan dalam semikonduktor (Gbr....) dan terletak pada rentang frekuensi:

< < .

Di PKG, spektrum emisinya jauh lebih sempit. Alasannya adalah penguatan pita frekuensi Δν tidak sama (Gbr.... Emisi optik LED). Pada frekuensi radiasi maksimum ν 0 Lebih banyak foton yang “dilahirkan”, dan setiap kali gelombang cahaya dengan frekuensi tersebut melewati semikonduktor, gelombang tersebut diperkuat lebih dari cahaya pada frekuensi lainnya. Oleh karena itu, dengan sejumlah besar jalur penyembuhan dalam resonator optik, setelah waktu yang relatif singkat, sejumlah besar foton akan memiliki nilai energi yang sangat dekat sesuai dengan frekuensi penguatan maksimum. ν 0 . Ada penyempitan spektrum emisi terstimulasi PKG (Gbr....). Dalam praktiknya, grafik spektral diplot bergantung pada panjang gelombang radiasi. Transisi dari frekuensi ke panjang gelombang dilakukan dengan menggunakan relasi λ = s/ν, Di mana Dengan– kecepatan cahaya.

Divergensi radiasi.

Pola radiasi adalah distribusi sudut intensitas atau daya radiasi relatif terhadap arah yang sesuai dengan nilai maksimumnya. Pada grafik, pola radiasi digambarkan dalam koordinat kutub atau kartesius. Pola radiasi dicirikan oleh divergensi - sudut di mana kekuatan radiasi setidaknya 0,5 dari maksimum.

Nilai minimum divergensi radiasi PCG ditentukan oleh difraksi cahaya dan diperkirakan dengan hubungan:

dimana λ adalah panjang gelombang radiasi PCG (untuk GaAs PCG λ ≈ 1 μm); d adalah ukuran karakteristik daerah emisi. Karena ukuran daerah pemancaran pada bidang sambungan p-n dari PCG garis strip (Gbr....) kira-kira 10 μm, divergensi radiasi pada bidang ini adalah sekitar 10 0. Divergensi radiasi pada bidang yang tegak lurus terhadap bidang sambungan p-n lebih besar dan kira-kira sama dengan 60 0, karena ketebalan sambungan p-n adalah ≈ 1 μm (Gbr....).

Pada LED, emisi spontan diarahkan ke arah yang berbeda, sehingga dapat dianggap isotropik dan mematuhi hukum Lambert:

, (-90 0 < <90 0).

Divergensi radiasi LED tanpa menggunakan optik pemfokusan khusus pada tingkat 0,5 kira-kira 60 0 dan tidak bergantung pada orientasi LED dalam ruang.

Prinsip fisik TEE

Emisi termionik (TEE) adalah emisi elektron dari permukaan benda penghantar yang dipanaskan. Fenomena emisi termionik pertama kali ditemukan pada percobaan TA. Edison (1883).

Perangkat paling sederhana untuk mengamati TEE (dioda elektron termal) terdiri dari dua elektroda logam yang ditempatkan dalam volume gas sisa bertekanan rendah (Gbr. 3.1a). Elektroda yang memancarkan elektron biasanya disebut katoda, meskipun istilah lain juga digunakan tergantung pada jenis emisinya (pemancar termal, pemancar foto, pemancar medan). Elektroda yang menerima elektron biasanya disebut anoda atau kolektor. Terlepas dari nama yang digunakan dan tanda potensi yang diterapkan

a) diagram skema dioda termionik;

b) Karakteristik IV dari dioda ideal, asalkan fungsi kerja elektron untuk bahan katoda dan anoda sama: bagian 1 - wilayah pembatasan arus oleh muatan ruang, bagian 2 - arus saturasi

elektroda, fungsi kerja elektron katoda akan dilambangkan dengan φ k, dan fungsi kerja elektron anoda akan dilambangkan dengan φ A.

Dengan menerapkan beda potensial V A antara katoda dan anoda serta mengukur arus yang mengalir antar elektroda, kita memperoleh karakteristik arus-tegangan (CV) dioda, yaitu. ketergantungan arus anoda pada tegangan anoda

Untuk konduksi elektron, benda padat direpresentasikan sebagai sumur potensial energi dengan dasar datar, dan pada antarmuka (benda padat-vakum) terdapat penghalang potensial - langkah persegi panjang. Terlihat dari gambar bahwa pada suhu selain nol, di antara elektron-elektron konduksi dalam zat padat terdapat elektron-elektron yang energinya lebih tinggi dari tingkat vakum. Elektron-elektron ini dapat memasuki ruang hampa dengan bergerak melewati penghalang potensial pada batas tersebut.

Penghalang potensial dicirikan oleh dua parameter:

1) jarak sepanjang sumbu energi dari tingkat Fermi dalam kristal ke tingkat vakum - besaran ini disebut fungsi kerja termionik φ;

a) representasi benda padat berupa sumur potensial berbentuk persegi panjang dengan dasar datar dan penghalang potensial pada batas benda;

b) rapat distribusi energi elektron dalam logam

2) nilai rata-rata koefisien refleksi over-barrier R untuk elektron yang keluar dari katoda ke ruang hampa.

Rumus Richardson-Deshman

Untuk penghalang potensial persegi panjang, Richardson dan Dashman (1928) menghitung kerapatan arus maksimum (arus saturasi) emisi termionik yang dapat dihasilkan pada suhu T oleh katoda termionik dengan fungsi kerja elektron cp (rumus Richardson-Dashman) saturasi TEE

dimana A 0 = Apmek 2 /h 3 = 120,4 A/cm 2 K 2 - Konstanta termionik Sommerfeld; T adalah suhu katoda pada skala Kelvin absolut (K); R adalah koefisien refleksi elektron pada antarmuka benda-vakum (biasanya tidak melebihi 0,07 dan dapat diabaikan dalam perhitungan estimasi); φ - fungsi kerja elektron yang meninggalkan katoda; k - Konstanta Boltzmann, k = 1,38-10 -23 J/K = (11600) - 1 eV/K.

Untuk perhitungan, persamaan (3.1) paling sering digunakan dalam bentuk berikut:

j = 120,4 T 2 exp (A/cm 2),

dimana fungsi kerja φ dinyatakan dalam elektron volt. Kekuatan arus TEE ditentukan oleh ekspresi: I=jS, di mana S adalah luas permukaan pancaran katoda.

Karena nilai pasti R umumnya tidak diketahui, alih-alih fungsi kerja elektron sebenarnya φ ist, yang muncul dalam persamaan, fungsi kerja efektif φ eFF diperkenalkan sedemikian rupa sehingga

Hal ini mengarah pada fakta bahwa fungsi kerja efektif sr e sedikit lebih tinggi dari fungsi kerja sebenarnya<р ист, а именно:

Secara umum, fungsi kerja bergantung pada suhu, sehingga persamaan di atas tidak secara eksplisit menggambarkan ketergantungan rapat arus TEE pada suhu.

Hubungan antara kerja sebenarnya dan efektif dan kerja Richardson pada hasil elektron diberikan oleh persamaan

Pembentukan gambar

Menggunakan prinsip Mo-pertuis

Prinsip tindakan terkecil Hamilton(juga adil Prinsip Hamilton), lebih tepatnya prinsip tindakan stasioner- suatu metode untuk memperoleh persamaan gerak suatu sistem fisik dengan mencari nilai stasioner (seringkali ekstrem, biasanya karena tradisi yang sudah mapan dalam menentukan tanda suatu tindakan, yang terkecil) dari nilai fungsional khusus - tindakan. Dinamakan setelah William Hamilton, yang menggunakan prinsip ini untuk membangun apa yang disebut formalisme Hamilton dalam mekanika klasik.

Rumusan prinsip yang pertama kali diberikan oleh P. Maupertuis pada tahun 1744, langsung menunjukkan sifat universalnya, mengingat prinsip tersebut dapat diterapkan pada optik dan mekanika. Dari prinsip ini ia memperoleh hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.

dapat diilustrasikan dengan contoh pembiasan berkas elektron.

Misalkan sebuah elektron yang terbang dengan kecepatan konstan v melalui ruang yang mempunyai potensial V berakhir di ruang yang mempunyai potensial seragam lainnya V', sehingga arah lintasan elektron tiba-tiba berubah. Jika potensial V>V', komponen normal kecepatan elektron v y bertambah, sedangkan komponen tangensial v x tetap tidak berubah

Jika dalam sistem optik simetris aksial

Lensa magnetik

di mana medan magnet simetris aksial dibuat menggunakan magnet cincin. Ada dua jenis lensa magnet - panjang dan pendek.

Contoh lensa magnet panjang adalah solenoid panjang. Sebuah elektron dalam medan magnet dikenai gaya Lorentz, arah kerjanya tegak lurus terhadap arah kecepatan elektron dan vektor kuat medan magnet. Oleh karena itu, elektron bergerak di dalam solenoida panjang dalam bentuk spiral, menggambarkan sinusoida pada bidang yang melalui sumbu Z (gambar).

Teori pita padatan

1. Logam menghantarkan listrik dengan baik.

Dielektrik (isolator) tidak menghantarkan arus dengan baik.

Konduktivitas listrik logam 10 6 – 10 4 (Ohm×cm) -1

Konduktivitas listrik dielektrik kurang dari 10 -10 (Ohm×cm) -1

Padatan dengan konduktivitas listrik menengah disebut semikonduktor.

2. Perbedaan antara semikonduktor dan logam diwujudkan dalam sifat ketergantungan konduktivitas listrik pada suhu.

Gambar.1

Ketika suhu menurun, konduktivitas logam meningkat, dan untuk logam murni, konduktivitasnya cenderung tak terbatas ketika mendekati nol mutlak. Sebaliknya, pada semikonduktor, konduktivitas menurun seiring menurunnya suhu, dan mendekati nol absolut, semikonduktor menjadi isolator.

3. Baik teori elektronik klasik tentang konduktivitas listrik, maupun teori kuantum yang didasarkan pada model Fermian bebas tidak dapat menjawab pertanyaan mengapa beberapa benda bersifat semikonduktor, sementara yang lain bersifat konduktor atau dielektrik.

4. Untuk menjawab pertanyaan tersebut, perlu diperhatikan interaksi elektron valensi dengan atom kisi kristal menggunakan metode mekanika kuantum.

5. Menyelesaikan persamaan Schrödinger dengan sejumlah variabel berorde 10 23 adalah masalah matematika yang tingkat kesulitannya tidak ada harapan.

Oleh karena itu, teori kuantum modern tentang benda padat didasarkan pada sejumlah penyederhanaan. Teori yang demikian adalah teori benda padat. Nama tersebut dikaitkan dengan karakteristik pengelompokan tingkat energi elektron dalam kristal ke dalam zona tingkat.

Teori pita didasarkan pada asumsi berikut:

1) Saat mempelajari pergerakan elektron valensi, ion positif dari kisi kristal, karena massanya yang besar, dianggap sebagai sumber stasioner dari medan yang bekerja pada elektron.

2) Susunan ion positif dalam ruang dianggap sangat periodik: ion-ion tersebut terletak di titik-titik kisi kristal ideal dari kristal tertentu.

3) Interaksi elektron satu sama lain digantikan oleh beberapa medan gaya efektif.

Masalahnya adalah mempertimbangkan pergerakan elektron dalam medan gaya periodik kristal.

Energi potensial elektron U(r) berubah secara berkala.

§2. Model paling sederhana dari benda kristal

Ini adalah model Kronig-Penney satu dimensi, medan listrik periodik ion positif kristal diperkirakan dengan potensial tipe “dinding bergerigi”.

Gambar.2

Gambar tersebut menunjukkan silih bergantinya potensi lubang dan hambatan.

Solusi persamaan Schrödinger untuk sumur potensial:

Solusi untuk hambatan potensial:

Di mana ;

, .

X n – koordinat dihitung dari awal bagian ke-n. Mereka ditulis untuk setiap sumur dan penghalang, kemudian solusinya “dijahit” dan persamaan dasar untuk menentukan tingkat energi dalam bidang periodik kristal diperoleh.

(3)

Di mana - area gigi.

Gambar.3

Representasi grafis dari solusi persamaan Schrödinger menurut Kronig – Penney.

Cos k′a dapat bervariasi dari –1 hingga +1.

Kita menggambar garis lurus sejajar dengan sumbu absis dan mencari titik potong garis-garis tersebut dengan grafik, menghilangkan garis tegak lurus dan mencari akar-akar persamaan (3). Area ini ditandai dengan garis tebal. Dengan demikian, nilai E(k) yang diperbolehkan bersifat diskrit (zonal). Jika sumbu (Ka) diputar ke posisi vertikal, diperoleh gambaran letak zona energi, diperbolehkan dan dilarang.

Gambar.4

Pada Gambar 4, spektrum energi elektron dalam kristal memiliki struktur pita.

L – panjang cincin rantai.

Nilai vektor gelombang. α adalah konstanta kisi.

Pita yang diperoleh dari tingkat valensi atom-atom pembentuk kristal disebut pita valensi.

Pita yang berasal dari tingkat internal selalu terisi penuh dengan elektron.

Tingkat valensi luar (pita konduksi) dapat terisi sebagian atau tidak terisi.

Gambar.5 Gambar.6

Elektron 3S mempunyai ikatan paling lemah. Ketika padatan terbentuk dari atom-atom individual, fungsi gelombang elektron-elektron ini tumpang tindih.

Luas spasial fungsi gelombang elektronik bergantung pada bilangan kuantum. Untuk bilangan kuantum besar, fungsi gelombang elektronik meluas pada jarak yang jauh dari inti; untuk tingkat ini, pengaruh timbal balik atom akan terwujud pada jarak yang jauh antar atom. Hal ini terlihat jelas pada Gambar 7, dengan menggunakan contoh kadar atom natrium. Pada level 1S, 2S, 2P praktis tidak ada pengaruh atom tetangganya, sedangkan untuk level 3S, 3P dan lebih tinggi pengaruhnya signifikan dan level tersebut berubah menjadi zona energi. Untuk elektron 3S terdapat energi minimum yang memberikan konfigurasi atom natrium keadaan padat yang stabil dengan jarak antar atom rata-rata R~ 3A. Dalam atom natrium, energi elektron 3S dipengaruhi oleh pengaruh atom tetangganya, yang juga berarti tumpang tindih fungsi gelombang elektron-elektron tersebut. Oleh karena itu, tidak mungkin lagi mengatakan bahwa elektron 3S tertentu berasosiasi dengan atom tertentu. Ketika keberadaan atom lain mengubah sumur potensial suatu atom (Gbr. 5, Gbr. 6), potensial Coulomb yang dihasilkan tidak akan lagi menahan elektron 3S di dekat atom tertentu, sehingga elektron tersebut dapat ditempatkan di mana saja dalam padatan sebagai akibat tumpang tindih fungsi gelombang 3S. Tetapi elektron 3S tidak dapat dengan bebas meninggalkan benda padat, karena fungsi gelombangnya tidak “memanjang” melampaui batas materi. Energi ikat elektron dalam zat padat sama dengan fungsi kerja φ.

Benda padat yang terdiri dari empat atom hanya akan memiliki empat tingkat, yang didistribusikan dalam interval energi tertentu.

Gambar.8

Misalnya: dalam keadaan dasar atom hidrogen, sebuah elektron dapat berada dalam salah satu dari dua keadaan - spin ke atas atau spin ke bawah. Dalam sistem yang terdiri dari empat proton, terdapat delapan kemungkinan keadaan. Namun jika Anda menambahkan tiga elektron lagi untuk mendapatkan empat atom hidrogen, maka akan ada empat keadaan terisi dan akan ada dua keadaan untuk setiap elektron. Efek mendekatkan atom-atom dimanifestasikan dalam perubahan energi masing-masing keadaan

dimana adalah energi atom yang terisolasi, adalah perubahan energi yang berhubungan dengan pengaruh proton yang bersangkutan 2, 3, 4. R adalah jarak antar atom.

Efek mendekatkan atom diwujudkan dalam peningkatan jumlah level. Benda nyata mengandung sekitar 10 23 tingkat individu, yang didistribusikan secara terus menerus dalam interval tertentu, membentuk zona nilai energi yang diizinkan (Gbr. 9). Situasi yang sama umumnya terjadi pada elektron valensi atom mana pun.

Gambar.9

Dalam natrium padat, zona elektron 3S berada di luar, terisi setengah. Batas atas level yang terisi berada di tengah zona. Sebuah elektron dapat berpindah ke tingkat bebas yang lebih tinggi di zona ini karena eksitasi termal atau listrik. Oleh karena itu, natrium padat memiliki konduktivitas listrik dan termal yang baik. Gambar 10 menunjukkan struktur pita konduktor (natrium). Zona atas merupakan zona yang terisi sebagian. Zona bawah diisi dengan elektron.

Jika jumlah tingkat energi dalam suatu zona lebih besar dari jumlah elektron di dalamnya, maka elektron mudah tereksitasi sehingga menjamin konduktivitas, tetapi jika semua tingkat dalam zona terisi, maka konduksi tidak mungkin atau sulit dilakukan.

Misalnya: dalam silikon, germanium, karbon (berlian) terdapat dua elektron pada kulit P dan timbul konfigurasi campuran orbital S dan P (orbital adalah fungsi gelombang yang menggambarkan keadaan kuantum tertentu), sehingga membentuk konfigurasi empat atom ditunjukkan pada Gambar. 11 (energi tolakan elektron Coulomb minimal).

Gambar 11

Fungsi gelombang elektron S dan P membentuk satu zona SP hibrid yang benar-benar kosong dan satu zona SP hibrid yang terisi penuh. Zona terisi dan kosong dipisahkan oleh interval energi yang cukup signifikan atau zona nilai energi terlarang. Untuk isolator, nilai celah pita umumnya adalah ~5 eV atau lebih. Celah pita untuk semikonduktor (germanium 0,67 eV, silikon 1,12 eV) berada pada kisaran 0,1 ¸ 3 eV.

Semikonduktor dan isolator berbeda satu sama lain hanya pada celah pitanya.

§ Teorema Bloch

Teorema Bloch menyatakan bahwa fungsi eigen persamaan gelombang dengan potensial periodik berbentuk hasil kali fungsi gelombang bidang

Tentang fungsi yang merupakan fungsi periodik dalam kisi kristal:

Subskrip di menunjukkan bahwa fungsi ini bergantung pada vektor gelombang.

Fungsi gelombang disebut fungsi Bloch. Solusi persamaan Schrödinger jenis ini terdiri dari gelombang berjalan; dari solusi tersebut dimungkinkan untuk menyusun paket gelombang yang akan mewakili elektron yang merambat bebas dalam medan potensial periodik yang diciptakan oleh inti ionik.

Gambar 13

Bentuk paket gelombang pada t=0 untuk gelombang de Broglie. Amplitudo ditunjukkan dengan garis putus-putus, gelombang ditunjukkan dengan garis padat. Gerak gelombang bidang monokromatik sepanjang sumbu X dapat dijelaskan dengan fungsi

(1)

Kecepatan rambat gelombang dapat ditemukan sebagai kecepatan pergerakan fase konstan.

(2)

Jika waktu berubah sebesar ∆t, maka agar kondisi (2) terpenuhi, koordinat harus berubah sebesar ∆x, yang dapat dicari dari persamaan

itu. (3)

Oleh karena itu kecepatan rambat fase konstan, disebut kecepatan fase:

(4)

Kecepatan fase foton (m 0 = 0) sama dengan kecepatan cahaya

(5)

Kecepatan fase elektron yang bergerak dengan kecepatan V dapat ditulis

(7)

, (7)

itu. itu menjadi lebih besar dari kecepatan cahaya, karena V< с. Это говорит о том, что фазовая скорость не может соответствовать движению частицы или же переносу какой-либо энергии.

Proses sebenarnya tidak bisa sepenuhnya monokromatik (k = const). Itu selalu memiliki lebar tertentu, mis. terdiri dari sekumpulan gelombang yang mempunyai bilangan gelombang yang sama, dan frekuensi yang sama.

Dengan menggunakan sekumpulan gelombang, dimungkinkan untuk membuat paket gelombang yang amplitudonya bukan nol hanya di wilayah ruang kecil yang berhubungan dengan lokasi partikel. Amplitudo maksimum paket gelombang akan merambat dengan kecepatan yang disebut kecepatan grup.

Amplitudo B dari paket gelombang

dimana A adalah amplitudo konstan dari masing-masing gelombang tersebut.

B menyebar dengan cepat

Untuk foton (m 0 = 0)

Untuk gelombang de Broglie

itu. kecepatan kelompok bertepatan dengan kecepatan partikel.

Pada titik-titik dll.

Kuadrat amplitudonya menjadi nol.

Wilayah lokalisasi paket gelombang

,

dimana adalah lebar paket gelombang.

dimana adalah waktu penyebaran paket gelombang.

Hubungan ketidakpastian Heisenberg. Semakin kecil semakin luas. Untuk gelombang monokromatik

dimana amplitudo di seluruh ruang mempunyai nilai yang sama, yaitu superposisi sebuah partikel (kasus satu dimensi) memiliki kemungkinan yang sama di seluruh ruang. Ini menggeneralisasi kasus tiga dimensi.

Untuk kasus nonrelativistik (m = m 0), waktu penyebaran paket gelombang adalah

jika m = 1g, maka

waktu penyebarannya sangat lama. Dalam kasus elektron m 0 ~ 10 -27 g (dimensi atom),

itu. untuk mendeskripsikan elektron dalam suatu atom kita harus menggunakan persamaan gelombang, karena paket gelombang menyebar hampir seketika.

Persamaan gelombang foton mengandung turunan kedua terhadap waktu, karena foton selalu merupakan partikel relativistik.

Pergerakan elektron dalam kristal

Hukum gerak, membandingkan dengan

Di mana

dimana m* adalah massa efektif, ini memperhitungkan aksi gabungan medan potensial dan gaya eksternal pada elektron dalam kristal.

Di zona konduksi,

Di pita valensi

Terdapat lubang berat dan ringan pada pita valensi, tetapi pada pita germanium dan silikon. Massa efektif selalu dinyatakan sebagai pecahan dari massa sebenarnya m 0 = 9·10 -28 g

Massa efektif adalah besaran tensor; ia berbeda dalam arah yang berbeda, yang merupakan konsekuensi dari sifat anisotropik kristal.

E k adalah persamaan rotasi ellipsoidal dan dijelaskan oleh dua nilai massa dan

Spektrum energi elektron dan lubang pada koordinat E dan K

E(K) – fungsi kuasi-momentum. Energi elektron dalam kisi ideal adalah fungsi periodik momentum kuasi.

Momentum elektron

Lubang - kuasipartikel dengan energi lebih rendah terletak di bagian atas pita valensi dan meningkatkan energinya, bergerak sepanjang skala energi lebih dalam ke pita valensi. Untuk lubang dan elektron, energi diukur dalam arah yang berlawanan.

Elektron dan lubang yang mempunyai vektor gelombang dapat bertumbukan dengan partikel atau medan lain seolah-olah mempunyai momentum

Disebut momentum kuasi.

Penamaan	Nama
	Elektron	-
	Foton	Gelombang elektromagnetik
	telepon	Gelombang elastis
	Plasmon	Gelombang elektron kolektif
	Magnon	Gelombang pembalikan magnetisasi
---	Polaron	Deformasi elektron + elastis
---	Kegembiraan	Gelombang polarisasi

Sinar-X dan neutron dihamburkan oleh fonon.

Operator dalam mekanika kuantum berhubungan dengan impuls.

itu. gelombang bidang Ψ к merupakan fungsi eigen dari operator momentum, dan nilai eigen dari operator momentum adalah

Energi Fermi didefinisikan sebagai energi elektron pada tingkat hunian tertinggi

di mana n F adalah bilangan kuantum tingkat energi tertinggi yang ditempati.

dimana N adalah jumlah elektron dalam volume

Energi adalah fungsi kuadrat dari bilangan kuantum n F.

Fungsi gelombang yang memenuhi persamaan Schrödinger untuk partikel bebas dalam medan periodik adalah gelombang bidang merambat:

asalkan komponen vektor gelombang mengambil nilai

himpunan serupa untuk K y dan K z. Setiap komponen vektor mempunyai bentuk

n – bilangan bulat positif atau negatif. Komponennya adalah bilangan kuantum beserta bilangan kuantum

mengatur arah putaran.

itu. nilai eigen energi keadaan dengan vektor gelombang

Dalam keadaan dasar (1S) suatu sistem yang terdiri dari N elektron bebas, keadaan yang ditempati dapat digambarkan dengan titik-titik di dalam bola di ruang K. Energi yang berhubungan dengan permukaan bola ini adalah energi Fermi. Vektor gelombang yang “berbatasan” dengan permukaan bola ini memiliki panjang yang sama dengan K F , dan permukaan itu sendiri disebut permukaan Fermi (dalam keadaan ini berbentuk bola). K F - radius bola ini

dimana adalah energi elektron dengan vektor gelombang yang berakhir pada permukaan bola.

Tiap tripel bilangan kuantum K x , K y , K z berhubungan dengan elemen volume dalam besaran ruang K . oleh karena itu, dalam bola bervolume, jumlah titik yang menggambarkan keadaan yang diperbolehkan sama dengan jumlah sel yang bervolume , dan oleh karena itu jumlah keadaan yang diperbolehkan adalah

dimana faktor 2 di sisi kiri memperhitungkan dua nilai bilangan kuantum spin yang diizinkan

untuk setiap nilai yang diizinkan

Jumlah total negara bagian sama dengan jumlah elektron N.

Jari-jari bola Fermi K F hanya bergantung pada konsentrasi partikel dan tidak bergantung pada massa m

Energi Fermi dapat didefinisikan sebagai energi keadaan kuantum, yang kemungkinan terisi oleh suatu partikel adalah 1/2.

jika E=EF, maka

nilainya dapat dihitung pada T=0 menggunakan rumus

Tetapi suhu nol mutlak dipahami sebagai batasnya

perlu diingat bahwa nol mutlak tidak dapat dicapai dan ditambah dengan prinsip pengecualian Pauli.

Sistem biasanya dipertimbangkan tidak hanya pada T = 0, tetapi juga pada suhu berapa pun, jika energi batasnya , ini adalah kondisi degenerasi, fungsi distribusi partikel tersebut mendekati “langkah”

Untuk sistem seperti ini kita dapat mengabaikan ketergantungan E F pada suhu dan berasumsi

Terdapat tabel parameter permukaan Fermi untuk sejumlah logam, dihitung untuk model elektron bebas untuk suhu kamar (T = 300 0 K).

Konsentrasi elektron ditentukan oleh produk valensi logam dan jumlah elektron dalam 1 cm 3.

maka kita mendapatkan:

Atau, jika

Misalnya: Li

Valensi – 1,

*r 0 – jari-jari bola yang mengandung satu elektron.

L n – Jari-jari Bohr 0,53×10 -8 cm.

* parameter tak berdimensi

Vektor gelombang K F = 1,11×10 8 cm -1 ;

Kecepatan Fermi V F = 1,29×10 8 cm/s;

energi Fermi .

suhu Fermi

T F tidak ada hubungannya dengan suhu gas elektron.

Mari kita tentukan jumlah keadaan per satuan interval energi, bagian yang disebut kepadatan keadaan di

;

Kepadatan negara bagian sama dengan:

Pilihan 5 No. 2. Jumlah elektron dengan energi kinetik dari E F /2 sampai E F ditentukan oleh hubungan

Dengan analogi:

Hasil yang sama dapat diperoleh dari

dalam bentuk yang lebih sederhana:

Dengan akurasi orde kesatuan, jumlah keadaan per satuan interval energi dekat energi Fermi sama dengan rasio jumlah elektron konduksi terhadap energi Fermi.

Kesimpulan

1. Massa efektif: germanium

silikon

itu. Terdapat lubang berat dan ringan pada pita valensi germanium dan silikon. Pita valensi terdiri dari tiga subband.

2. Permukaan Fermi adalah permukaan dengan energi konstan di ruang angkasa. Permukaan Fermi pada nol mutlak memisahkan keadaan terisi elektron dari keadaan tidak terisi. Bola Fermi. Semua negara bagian dengan K<К F являются занятыми.

3. Keanekaragaman sifat padatan merupakan bukti keanekaragaman kuasipartikel.

4. Sampai saat ini, elektron diyakini serupa satu sama lain. Ketika mereka ingin menekankan perbedaan antara elektron besi dan elektron tembaga, mereka mengatakan bahwa keduanya mempunyai permukaan Fermi yang berbeda.

Pada Pameran Dunia di Brussels, bangunan ini memberikan penghormatan kepada abad fisika. Ini mewakili sistem reguler dari bidang yang saling berhubungan, di dalamnya terdapat ruang pameran. Masing-masing (bola) mewakili ion besi yang kehilangan satu elektron. Ini adalah permukaan tingkat Fermi.

Setiap logam hanya memiliki bentuk permukaan Fermi yang melekat; ia membatasi wilayah ruang momentum yang ditempati oleh elektron konduksi pada nol mutlak. Ini adalah kartu nama dari berbagai logam.

... zona. Untuk padatan yang lebar zona terlindungnya tidak melebihi 1 eV, pada suhu kamar sudah terdapat cukup elektron di zona konduksi, dan di zona valensi terdapat kekosongan untuk menciptakan identitas konduktivitas listrik yang tinggi. Badan seperti ini sering disebut konduktor. Menjadi jelas bahwa pembagian padatan dari kelompok lain menjadi dielektrik dan konduktor murni bersifat mental. kamu...

Di seluruh dunia. Jika pada tahun 1900 sekitar 8 ribu ton logam ringan diproduksi per tahun, maka seratus tahun kemudian volume produksinya mencapai 24 juta ton. 2. Bahan konduktor logam dan semikonduktor, bahan magnet 2.1 Klasifikasi bahan listrik Bahan listrik merupakan gabungan bahan konduktor, isolasi listrik, magnet dan...

Jenis pengolahan dalam pembuatan produk yang diperlukan dari mereka. Oleh karena itu, bahan yang berbeda harus dipilih untuk aplikasi yang berbeda. Bahan isolasi listrik merupakan bagian paling banyak dari bahan listrik pada umumnya; jumlah jenis bahan isolasi listrik tertentu yang digunakan dalam industri kelistrikan modern berjumlah ribuan...

Salinan

1 KEMENTERIAN PENDIDIKAN UMUM DAN PROFESIONAL FEDERASI RUSIA UNIVERSITAS MINYAK NEGARA UFA JURUSAN FISIKA ZONA TEORI PADATAN Panduan metodologi untuk pekerjaan laboratorium 8 1, 2, 3, 4 untuk mata kuliah fisika umum pada bagian “Fisika Padatan” oh tubuh" U F A

2 Diterbitkan berdasarkan keputusan Dewan Metodologi Universitas Teknik Perminyakan Negeri Ufa. Manual metodologi berisi uraian tentang pekerjaan laboratorium mempelajari fotoresistor dengan berbagai karakteristik, pekerjaan mempelajari ketergantungan suhu semikonduktor dan pekerjaan mempelajari difraksi radiasi laser. Manual ini dimaksudkan untuk membantu dalam melakukan pekerjaan laboratorium pada bagian “Fisika Padat” dan “Fisika Atom dan Molekul” pada mata kuliah fisika umum. Dirancang untuk mahasiswa tahun kedua dari semua fakultas USPTU. Disusun oleh: Manenkova L.K., Associate Professor, Kandidat Ilmu Pengetahuan. fisik - tikar. Ilmu Pestryaev E.M., Associate Professor, Kandidat Ilmu Pengetahuan fisik - tikar. Ilmu Pengetahuan Tseplin E.E., Associate Professor, Kandidat Ilmu Pengetahuan fisik - tikar. Pengulas Sains: Gusmanova G.M., Associate Professor, Kandidat Sains kimia. Ilmu Pengetahuan Universitas Teknik Perminyakan Negeri Ufa, 2005

3 3 Pendahuluan Teori pita padatan telah memungkinkan untuk menjelaskan sifat listrik, optik, magnet, dan beberapa sifat lain dari padatan kristal. Atas dasar itu, bidang baru teknologi elektronik diciptakan - elektronik semikonduktor. Saat ini, berdasarkan ketentuan teori pita benda padat, banyak dibangun perangkat elektronika yang banyak digunakan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Salah satu perangkat paling sederhana adalah fotoresistor. Oleh karena itu, studi eksperimental tentang karakteristiknya, yang diusulkan dalam pekerjaan laboratorium yang dijelaskan di bawah ini, memungkinkan seseorang mempelajari prinsip dasar teori pita. Contoh salah satu perangkat paling kompleks yang dirancang berdasarkan prinsip teori pita adalah laser semikonduktor. Sebelum melakukan pekerjaan laboratorium, Anda harus membiasakan diri dengan teori pita benda padat menggunakan buku teks apa pun dari daftar referensi atau catatan kuliah. Kemudian mengenal perangkat fotoresistensi (sesuai uraian karya) dan memahami bagaimana ketentuan teori pita secara khusus menjelaskan sifat-sifat fotoresistensi. Pertanyaan pengendalian diri yang kemudian diajukan akan membantu menentukan seberapa baik Anda menguasai materi yang dibaca. Sastra tentang teori band 1. Savelyev I.V. Kursus fisika umum, t. M.: Nauka, 57 59, 64, Detlaf A.A., Yavorsky B.M. mata kuliah Fisika. - M.: Sekolah Tinggi, jilid 2, ; jilid 3, Gevorkyan R.G., Shepel V.V. Kursus fisika umum. - M.: Sekolah Tinggi, Zisman G.A., Todes O.M. Kursus fisika umum. - M.: Sains, jilid 2, 28; jilid 3, Gershenzon E.M., Malov N.N., Mansurov A.N., Etkin V.S. Mata kuliah fisika umum: fisika molekuler. M.: Pendidikan, paragraf 11.3, Trofimova T.I. mata kuliah Fisika. - M.: Sekolah Tinggi, Dasar-dasar teori pita padatan Dalam padatan kristal, karena susunan ion (atom) yang teratur pada titik-titik kisi kristal, timbul medan listrik yang merupakan fungsi periodik (dengan a periode sama dengan periode kisi kristal). Medan ini mempengaruhi pergerakan elektron dan menyebabkan perubahan keadaan energi yang signifikan

4 E ΔE 4 Zona yang diizinkan Gambar. 1. Diagram pita energi Celah pita elektron dalam zat padat dibandingkan dengan keadaannya dalam atom yang terisolasi. Dari teori struktur atom diketahui bahwa elektron hanya dapat berada pada keadaan yang sesuai dengan nilai energi yang sangat spesifik. Dalam keadaan energi padat elektron ditentukan tidak hanya oleh interaksi dengan inti atomnya, tetapi juga oleh medan listrik kisi kristal, yaitu interaksi dengan atom lain. Sebagai hasil interaksi dengan medan listrik kisi kristal, elektron menerima sedikit tambahan energi positif atau negatif, dikatakan bahwa tingkat energi terpecah. Alih-alih satu tingkat energi, yang sama untuk semua N atom terisolasi, N tingkat yang berjarak berdekatan muncul dalam padatan, yang membentuk pita energi yang diperbolehkan. Interaksi antara atom-atom zat padat mempunyai pengaruh yang paling kuat terhadap tingkat energi elektron-elektron terluar atom, yang kurang terikat dengan inti dibandingkan dengan elektron-elektron dalam dan mempunyai energi paling tinggi. Setiap pita energi yang diijinkan mengandung N level yang berdekatan, dimana N adalah jumlah total atom dalam kristal. Jarak antar level zona yang berdekatan adalah ~ eV. Mengingat terdapat atom dalam 1 cm 3 benda padat, kita memperoleh lebar zona yang diizinkan pada urutan beberapa elektron volt. Pita energi yang diperbolehkan dalam benda padat, seperti halnya atom terisolasi, dipisahkan oleh pita energi terlarang dengan urutan lebar yang sama (Gbr. 1). Pola pita yang diperbolehkan dalam kristal menyerupai pola tingkat energi dalam atom. Jika tingkat energi dalam suatu atom terisi oleh elektron, maka pita yang diperbolehkan juga akan terisi. Sesuai dengan prinsip Pauli, setiap tingkat dapat mengandung tidak lebih dari dua elektron (dengan putaran yang berlawanan arah), oleh karena itu, jumlah elektron dalam pita terisi adalah 2 N. Pita yang berhubungan dengan elektron valensi disebut valensi. Pita yang diizinkan lebih tinggi sesuai dengan tingkat tereksitasi atom, sehingga atom tersebut akan bebas dari elektron.

5 5 a) logam b) semikonduktor c) isolator T = 0 K (dielektrik) Pita bebas Pita bebas (pita konduksi) Pita bebas ΔE Pita terlarang ΔE Pita terlarang ΔE Pita terlarang Pita valensi (pita konduksi) Pita valensi terisi Pita valensi terisi Gambar . 2. Diagram pita energi dan pengisiannya dengan elektron. Elektron ditampilkan sebagai titik pada tingkat energi. Tergantung pada tingkat pengisian pita valensi dengan elektron dan lebar celah pita, ada tiga kasus yang mungkin terjadi, ditunjukkan pada Gambar. 2. Dalam kasus a) elektron tidak mengisi pita valensi sepenuhnya. Oleh karena itu, cukup memberikan energi eV ke elektron yang terletak di tingkat atas untuk mentransfernya ke tingkat energi yang lebih tinggi. Energi gerak termal (kt) pada 1 K berada pada urutan 10 4 eV (pada suhu kamar ~ 0,025 eV). Akibatnya, pada T > 0 K, beberapa elektron ditransfer ke tingkat yang lebih tinggi. Energi tambahan yang diberikan medan listrik kepada elektron juga ternyata cukup untuk mentransfer elektron ke tingkat yang lebih tinggi. Oleh karena itu, elektron dapat dipercepat oleh medan listrik dan memperoleh kecepatan tambahan dalam arah yang berlawanan dengan medan. Jadi, kristal dengan pola tingkat energi yang serupa akan menghantarkan arus listrik, yaitu logam. Zona yang terisi sebagian disebut zona konduksi, karena hanya di dalamnya dimungkinkan untuk menciptakan pergerakan elektron yang terarah, yaitu arus listrik. Terbentuknya zona terisi sebagian juga dimungkinkan karena tumpang tindih antara zona terisi dan kosong. Zat yang pita valensinya terisi penuh dengan elektron dan celah pitanya cukup besar (ΔE > 4 eV) diklasifikasikan sebagai dielektrik (isolator, Gambar 2c). Hal ini disebabkan fakta bahwa di wilayah tersebut

Dalam pembentukan arus listrik, hanya elektron-elektron yang berpartisipasi, yang dapat, di bawah pengaruh medan listrik, berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Pada jalur bebas rata-rata, medan listrik dapat memberikan energi sebesar eV kepada elektron, sedangkan celah pita lebih besar dari 4 eV. Akibatnya, medan listrik tidak mampu mentransfer elektron dari zona terisi penuh ke tingkat bebas zona yang terletak di atasnya. Oleh karena itu, dalam dielektrik, ketika medan listrik diterapkan, tidak terjadi pergerakan elektron arus listrik secara terarah. Dalam semikonduktor (Gbr. 2, b) celah pita ΔE = 0,1 · 2,0 eV, yang jauh lebih kecil dibandingkan dielektrik. Pada 0 K, semua tingkat pita valensi semikonduktor ditempati oleh elektron, dan tidak ada elektron pada pita konduksi yang terletak di atasnya. Karena celah pita semikonduktor tidak jauh melebihi energi gerak termal rata-rata (kt), maka pada T > 0 K beberapa elektron, karena energi gerak termal, berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Pada pita konduksi muncul elektron yang disebut elektron konduksi, dan pada pita valensi terbentuk tingkat kosong, dimana elektron dapat berpindah dari tingkat yang lebih rendah. Ruang kosong pada suatu tingkat disebut kekosongan atau lubang. Lubang adalah atom dalam kisi kristal yang kehilangan satu elektron valensi dan karenanya bermuatan positif. Jelas bahwa dalam hal ini jumlah lubang pada pita valensi sama dengan jumlah elektron pada pita konduksi. Seiring dengan peralihan elektron dari pita valensi ke pita konduksi, terjadi pula peralihan elektron dari pita konduksi ke pita valensi. Dalam hal ini, elektron mentransfer energi ΔE ke kisi dan satu kekosongan terisi dan lubang menghilang. Proses ini disebut rekombinasi elektron dan lubang konduksi. Transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan sebaliknya terjadi secara bersamaan dalam semikonduktor, sehingga terjadi kesetimbangan dinamis. Konsentrasi kesetimbangan elektron pada pita konduksi (nn) dan lubang pada pita valensi (n p) meningkat seiring dengan meningkatnya suhu T dan bergantung pada celah pita. ΔE nn = np = A exp(). (1) 2 k T Di sini A adalah kuantitas yang bergantung pada suhu lemah yang menjadi ciri semikonduktor tertentu.

7 7 Ketika medan listrik eksternal diterapkan, elektron di kedua zona akan mulai berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Penambahan energi ini merupakan kontribusi energi kinetik dari pergerakan elektron yang teratur di bawah pengaruh medan listrik. Kehadiran tingkat energi bebas di dekatnya memungkinkan elektron menyerap energi medan listrik, bergerak teratur dalam arah yang berlawanan dengan medan. Proses serupa adalah arus listrik. Atom kisi terionisasi yang kehilangan elektron dapat dinetralkan dengan menangkap elektron dari salah satu atom tetangganya. Dengan demikian, muatan positif akan bergerak pada kisi kristal, dengan kata lain lubang positif akan bergerak. Ia berpindah ke tempat elektron pergi. Pergerakan lubang-lubang yang terbentuk pada pita valensi akibat keluarnya elektron darinya terjadi karena pengaruh medan listrik dan searah medan, yaitu juga membentuk arus listrik. Konduktivitas listrik suatu semikonduktor yang disebabkan oleh pergerakan lubang pada pita valensi disebut konduktivitas lubang. Jadi, konduktivitas intrinsik semikonduktor bersifat campuran lubang elektron. Energi yang dibutuhkan untuk mentransfer elektron dari pita valensi semikonduktor ke pita konduksi dapat diperoleh tidak hanya melalui pemanasan, tetapi juga dengan penerangan semikonduktor. Elektron di pita valensi, menyerap foton, berpindah ke tingkat energi pita bebas dan menjadi elektron konduksi, dan jumlah lubang yang sama muncul di pita valensi. Konduktivitas listrik semikonduktor σ meningkat. Ini adalah efek fotolistrik internal pada semikonduktor. Jelas bahwa penyerapan foton oleh elektron pada pita valensi (yaitu, efek fotolistrik internal) akan diamati hanya jika energi foton lebih besar atau sama dengan celah pita: hν ΔE, (2) di mana h adalah energi Planck konstan; ν adalah frekuensi cahaya datang. Artinya untuk efek fotolistrik internal maupun efek fotolistrik eksternal harus ada batas merah. Jumlah elektron yang ditransfer ke pita konduksi, seperti pada efek fotolistrik eksternal, sebanding dengan jumlah foton (intensitas cahaya) yang mengenai semikonduktor. Perubahan konduktivitas σ pada penerangan semikonduktor ditentukan oleh ekspresi Δσ = e f (μ n τ n + μ p τ p), (3) di mana e adalah muatan elektron; f jumlah pasangan elektron-lubang yang dihasilkan oleh fluks cahaya per detik per satuan volume; μ n dan μ p

8 8 mobilitas elektron dan lubang konduksi; τ n dan τ p adalah waktu dalam hidup mereka. Sebagai kesimpulan, mari kita sekali lagi menarik perhatian pada fakta bahwa pita energi bukanlah bagian dari ruang nyata, tetapi hanya representasi grafis yang mudah digunakan dari nilai energi yang dapat diperoleh sebuah elektron. Oleh karena itu, ketika kita berbicara tentang pergerakan elektron dalam zona tertentu, ia bergerak dalam volume semikonduktor nyata, menempuh jarak mikroskopis dan pada saat yang sama memiliki energi yang berada dalam interval yang dibatasi oleh zona ini. Perangkat fotoresistansi Fotoresistansi adalah perangkat semikonduktor yang hambatan listriknya berkurang di bawah pengaruh radiasi elektromagnetik eksternal. Elemen fotoresistor fotosensitif adalah tablet persegi panjang atau bulat yang dibuat dari bahan semikonduktor, atau film tipis semikonduktor pada substrat kaca. Elektroda dengan resistansi rendah memanjang dari semikonduktor. Desain dasar fotoresistor dan diagram biasa penyertaannya dalam rangkaian listrik ditunjukkan pada Gambar. 3. Saat ini, fotoresistor yang paling banyak digunakan adalah fotoresistor yang berbahan dasar timbal sulfida dan selenida (tipe FSA), kadmium sulfida dan selenida (tipe FSK dan FSD). Karakteristik fotoresistor Karakteristik utama fotoresistor, yang menentukan area penerapannya, adalah karakteristik spektral, tegangan arus, dan lux-ampere. Respon spektral memberikan sensitivitas fotoresistensi tergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Hal ini ditentukan oleh sifat-sifat bahan elemen fotosensitif. Fotoresistor kadmium sulfida memiliki sensitivitas tinggi pada wilayah spektrum tampak, fotoresistor kadmium selenium pada inframerah jauh dan dekat 3 μa Fluks cahaya Gambar. 3. Perangkat fotoresistor dan rangkaian sambungannya: 1- lapisan semikonduktor fotosensitif, 2- dasar isolasi, 3- elektroda logam.

9 9 area merah. Untuk fotoresistor timbal sulfida dan timbal selenium, sensitivitas maksimum terletak pada wilayah spektrum inframerah (Gbr. 4, a). Karakteristik tegangan arus fotoresistor adalah linier pada rentang tegangan yang lebar (Gbr. 4, b). Pola ini hanya dilanggar pada wilayah tegangan rendah. Karakteristik lux-amp menunjukkan ketergantungan arus yang mengalir melalui fotoresistensi pada intensitas fluks cahaya yang datang. Fotoresistor semikonduktor biasanya memiliki karakteristik lux-ampere nonlinier (Gbr. 4, c). I, % CdS I, ma CdSe PbS PbSe λ, μ a) FSD I, ma Gambar. 4. Ciri-ciri utama fotoresistor: a) ciri-ciri spektral fotoresistor yang terbuat dari CdS, CdSe, PbS, PbSe. b) karakteristik arus-tegangan pada penerangan 200 lux; c) karakteristik lux-amp. FSD-1, 12 V FSK FSK-1, 25 V U, V b) E, lx Sensitivitas spesifik K adalah rasio arus foto I f terhadap produk fluks cahaya F yang terjadi pada fotoresistensi dan tegangan U yang diberikan padanya : Saya f μ A K =. (4) FU lx Vc)

10 10 Fluks cahaya yang datang pada fotoresistensi dapat dinyatakan melalui iluminasi E (lx) dan luas S (m 2) dari elemen fotosensitif (F = E S). Maka sensitivitas spesifik I μ K = f. 2 E S U lux m V (5) Konduktivitas pengotor semikonduktor Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, elektron dan lubang yang terbentuk karena energi panas bergerak secara kacau dalam volume kristal. Ketika medan listrik diterapkan, elektron yang terletak di pita konduksi (yaitu, yang paling sedikit terhubung ke atomnya) akan menerima energi kinetik tambahan dari gerakan teratur dari medan dan, di bawah pengaruh gaya medan, akan mulai bergerak ke arah berlawanan dengan lapangan. Lubang-lubang tersebut akan bergerak berlawanan arah, yaitu menuju lapangan. Dalam rangkaian tertutup, proses serupa adalah arus listrik. Konduktivitas yang disebabkan oleh pergerakan lubang pada pita valensi suatu semikonduktor disebut konduktivitas lubang atau konduktivitas tipe-p, berbeda dengan konduktivitas elektronik tipe-n pada umumnya. Semikonduktor yang konduktivitasnya ditentukan oleh jumlah elektron dan hole yang sama disebut semikonduktor intrinsik. Ini termasuk, misalnya, germanium Ge murni dan silikon Si. Masuknya sejumlah kecil pengotor ke dalam semikonduktor sangat meningkatkan konduktivitas listrik semikonduktor. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dengan adanya pengotor, tingkat energi tambahan muncul, terletak di celah pita semikonduktor (Gbr. 5). Jika level tambahan terletak di dekat tepi bawah pita konduksi, maka elektron dari level tersebut akan berpindah ke pita konduksi. Karena interval energi ΔE d yang memisahkan level tambahan dari pita konduksi lebih kecil dibandingkan dengan celah pita, jumlah elektron dalam pita konduksi, dan karenanya konduktivitas listrik semikonduktor, dapat meningkat beberapa kali lipat. Pengotor semacam ini yang menyuplai elektron ke pita konduksi disebut pengotor donor atau pengotor donor. Semikonduktor dengan pengotor donor memiliki jenis konduktivitas elektronik (n semikonduktor). Contoh pengotor donor adalah atom arsenik yang dimasukkan ke dalam kisi kristal silikon. Silikon bersifat tetravalen, dan arsenik bersifat pentavalen, yaitu valensi pengotornya satu lebih banyak daripada valensi atom utama. Sebuah atom arsenik hanya membutuhkan empat elektron untuk membentuk ikatan kovalen dengan tetangganya. Oleh karena itu, lima

11 11 Pita konduksi ΔE P Tingkat donor Pita terlarang Tingkat akseptor ΔE a Pita valensi Gambar. 5. Tata letak tingkat donor dan akseptor dalam semikonduktor pengotor. Elektron kosong ini tampaknya berlebihan dan mudah dipisahkan dari atom karena energi gerak termal, sehingga membentuk elektron konduksi. Sekarang mari kita asumsikan bahwa dengan masuknya atom pengotor, tingkat tambahan pada celah pita muncul di dekat tepi atas pita valensi. Kemudian elektron dari pita valensi akan mulai berpindah ke tingkat tambahan tersebut. Akan muncul lubang pada pita valensi yang berarti daya hantar listrik semikonduktor akan bersifat lubang (semikonduktor p). Pengotor semacam ini disebut pengotor akseptor atau akseptor. Contoh pengotor akseptor adalah masuknya atom boron ke dalam kisi silikon. Dalam hal ini, valensi pengotornya kurang dari satu valensi atom utama (boron trivalen). Atom boron tidak memiliki cukup elektron trivalen untuk berikatan dengan keempat atom silikon tetangganya. Oleh karena itu, satu ikatan akan kosong dan mewakili situs yang mampu menangkap elektron. Ketika sebuah elektron dari salah satu pasangan tetangganya berpindah ke tempat ini, sebuah lubang muncul yang akan bergerak ke seluruh kristal. Nilai ΔE d dan ΔE a (Gbr. 5)

12 12 disebut energi aktivasi donor dan akseptor. Peluang munculnya elektron pada pita konduksi atau lubang pada pita valensi masing-masing sebanding dengan exp[ ΔE d /(k T)] dan exp[ ΔE a /(k T)]. Mengingat bahwa konduktivitas listrik sebanding dengan jumlah pembawa muatan, konduktivitas listrik spesifik dapat direpresentasikan sebagai σ = A exp[ ΔE/(2 k T)] (6) dengan ΔE adalah celah pita (untuk semikonduktor intrinsik) atau energi aktivasi ΔE d dan ΔE a (untuk semikonduktor pengotor n atau p). Koefisien A dalam rumus (2) bergantung pada jenis semikonduktor dan sedikit bervariasi terhadap suhu. Dengan meningkatnya suhu, konsentrasi pembawa pengotor dengan cepat mencapai saturasi. Artinya seluruh level donor praktis terlepas atau seluruh level akseptor terisi elektron. Pada saat yang sama, dengan meningkatnya suhu, konduktivitas intrinsik semikonduktor, yang disebabkan oleh transisi elektron langsung dari pita valensi ke pita konduksi, mulai mempengaruhi dirinya sendiri secara lebih luas. Misalnya, konduktivitas germanium pada berbagai konsentrasi pengotor hingga suhu sekitar 300 K ditentukan oleh pembawa pengotor, dan pada suhu yang lebih tinggi ia memiliki karakter tersendiri. Semikonduktor memiliki koefisien resistansi suhu negatif (TCR). TCR adalah nilai yang mencirikan sensitivitas resistansi semikonduktor terhadap perubahan suhu. Mengingat resistansi semikonduktor sama dengan R = R 0 exp[δe/(2 k T)], kita memperoleh 1 dr ΔE TKC = =. 2 (7) R dt 2kT Di sini R 0 adalah resistansi semikonduktor pada 0 K; k Konstanta Boltzmann; T suhu absolut; energi aktivasi ΔE. Dari (7) jelas bahwa energi aktivasi, yang merupakan salah satu karakteristik utama semikonduktor, menentukan laju penurunan resistansi semikonduktor terhadap suhu.

13 13 Soal tes dan tugas teori pita konduktivitas listrik 1. Apa perbedaan logam, dielektrik, dan semikonduktor dari sudut pandang teori pita? 2. Mendefinisikan konduktivitas intrinsik dan pengotor suatu semikonduktor. 3. Menjelaskan peningkatan konduktivitas suatu semikonduktor dengan meningkatnya suhu, berdasarkan ketentuan teori pita. 4. Pada kisaran suhu berapa konduktivitas intrinsik semikonduktor mendominasi dan mengapa? 5. Jelaskan inti dari konduktivitas lubang semikonduktor. 6. Pengotor akseptor dimasukkan ke dalam semikonduktor murni. Jenis konduktivitas apa yang mendominasi semikonduktor ini? 7. Sedikit pengotor galium dimasukkan ke dalam silikon murni. Dengan menggunakan tabel periodik unsur, tentukan jenis konduktivitas silikon pengotor. 8. Ekspresi apa yang menggambarkan ketergantungan suhu dari resistansi semikonduktor? 9. Menjelaskan data eksperimen yang diperoleh dari sudut pandang teori pita. 10. Apa perbedaan efek foto internal dengan efek foto eksternal? 11. Apa persamaan efek fotolistrik internal dan eksternal? 12. Jelaskan mekanisme fotokonduktivitas fotoresistensi? 13. Jelaskan desain fotoresistor. 14. Jelaskan jenis karakteristik fotoresistensi spektral, tegangan arus, dan lux-ampere. 15. Bagaimana sensitivitas spesifik fotoresistensi ditentukan? 16. Jelaskan hasil eksperimen yang diperoleh dari sudut pandang teori pita?

14 14 Pekerjaan laboratorium 8 1 Mempelajari karakteristik fotoresistensi FSK-1 Tujuan pekerjaan. Pengenalan hukum efek fotolistrik internal pada contoh karakteristik fotoresistensi FSK-1. Deskripsi pengaturan eksperimental Untuk mengukur karakteristik fotoresistensi, digunakan pengaturan, diagramnya ditunjukkan pada Gambar. 6. Tegangan DC (0-50 V) disuplai ke fotoresistor tipe FSK-1 dari sumber tegangan yang dapat disesuaikan UIP-2. Miliammeter mengukur arus yang mengalir melalui fotoresistensi, dan voltmeter mengukur tegangan. Fotoresistor terletak di dalam wadah silinder buram, di ujungnya terdapat lubang kecil. Susunan fotoresistor ini memungkinkan pencahayaan latar belakang diminimalkan karena pencahayaan di laboratorium. penerangan utama dari fotoresistensi disebabkan oleh mobil L FSK-1 V UIP V Tr μa V Gambar. 6. Diagram pemasangan bola lampu L yang dihubungkan melalui trafo Tr ke jaringan. Fotoresistor dan bola lampu dipasang saling berhadapan di bangku foto. Bola lampu dapat berpindah jarak yang berbeda relatif terhadap fotoresistor. Penerangan E dari fotoresistensi dalam hal ini berubah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak r antara itu dan bola lampu. Tindakan pencegahan keamanan. Sebelum menyalakan instalasi, pastikan grounding catu daya UIP-2 berfungsi dengan baik. Pada terminal keluaran UIP-2, tegangannya mencapai 50 V, jadi jangan sentuh terminalnya dengan tangan.

15 15 Prosedur 1. Aktifkan UIP-2. Tunggu 5 menit hingga memanas. 2. Hubungkan trafo step-down dan lampu latar voltmeter ke jaringan. 3. Hubungkan bola lampu mobil ke soket ~12 V di meja bergerak di bangku foto. Latihan 1. Membaca karakteristik arus-tegangan 4. Membaca ketergantungan arus yang melalui fotoresistor pada tegangan yang melintasinya pada dua nilai iluminasi fotoresistor (ditunjukkan oleh guru). Langkah kenaikan tegangan adalah 3 5 V dalam 0 50 V. Tegangan operasi maksimum FSK-1 adalah 50 V. 5. Buatlah karakteristik tegangan arus yang ditunjukkan pada Gambar. 7 koordinat. Meja 1 U = V r 1 = I, ma r 2 = I, ma Latihan 2. Menghilangkan karakteristik lux-amp. 6. Bacalah ketergantungan arus pada penerangan pada tegangan konstan U pada fotoresistansi (nilai tegangan ditunjukkan oleh guru). Ubah iluminasi fotoresistansi dengan mengubah jarak r antara fotoresistansi dan bola lampu dalam jarak 0,2-1,0 m setiap 10 cm 7. Bangunlah karakteristik lux-ampere FSK-1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8 koordinat. 8. Dengan menggunakan karakteristik lux-ampere menggunakan hukum Ohm I = U/R, hitung resistansi FSK-1 pada pencahayaan berbeda dan buatlah grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. koordinat 8a. Meja 2 U = r, m I, ma R, Ohm E~ 1/r 2, m 2 V

16 16 Latihan 3. Menentukan sensitivitas spesifik dari fotoresistensi FSK 1 9. Atur jarak antara bola lampu dan fotoresistansi dalam 0,4-0,6 m, tegangan pada FSK-1 dalam V. Tuliskan nilai arus yang sesuai melalui fotoresistensi. 10. Tentukan iluminasi fotoresistor menggunakan luxmeter. Untuk melakukannya, letakkan fotosel lux meter di sebelah fotoresistor (pada jarak yang sama dari bola lampu) sehingga bidang fotosel tegak lurus terhadap sinar datang, dan lakukan pembacaan dalam lux menggunakan skala lux meter yang sesuai. 11. Hitung sensitivitas spesifik FSK-1 menggunakan rumus (5), dimana I f adalah selisih antara arus terang dan gelap dari fotoresistensi; S = m 2 luas elemen fotosensitif. 12. Tentukan sensitivitas spesifik sebanyak tiga kali pada r dan U yang berbeda dalam batas yang ditentukan. Meja 3 r, percobaan m U, V E, lx I, terang ma I gelap, I f, ma ma K, mka/(lx m 2 V) I, ma Gambar. 7 I, ma Gambar. U, V E~1/r 2, m 2 R, Ohm Gambar. 8a E ~ 1/r 2, m 2

17 17 Pekerjaan laboratorium 8 2 Mempelajari karakteristik fotoresistensi FSK-G2 Tujuan pekerjaan. Pengenalan hukum efek fotolistrik internal pada contoh mempelajari karakteristik fotoresistensi FSK-G2. UIP-2 L FSK-G2 220 V Tr V 12 V 220 V 1 kom VK7-10A V2-23 Gambar. 9. Diagram instalasi Deskripsi setup eksperimental Untuk mengukur karakteristik fotoresistensi FSK-G2, digunakan setup, diagramnya ditunjukkan pada Gambar. 9. Tegangan DC 0–50 V disuplai ke fotoresistor tipe FSK-G2 dari sumber tegangan terkontrol UIP-2. Tegangan pada fotoresistansi diukur dengan voltmeter digital B2-23. Untuk mengukur arus yang mengalir melalui fotoresistansi, gunakan voltmeter digital VK7-10A (ma). Ini mengukur penurunan tegangan pada resistor 1 kohm yang dihubungkan secara seri dengan fotoresistor. Misalnya, arus 1 mA sama dengan penurunan tegangan pada fotoresistor sebesar 1 V. Fotoresistor dan bola lampu dipasang pada meja foto sehingga bola lampu dapat bergerak pada jarak yang berbeda relatif terhadap fotoresistor. Penerangan fotoresistansi E dalam hal ini berubah menurut rumus E ~ 1/r 2, dimana r adalah jarak antara bola lampu dan fotoresistansi. Tindakan pencegahan keamanan. Sebelum menyalakan instalasi, periksa kemudahan servis grounding UIP-2 dan kedua voltmeter digital. Voltase

18 18 Tegangan pada terminal keluaran UIP-2 bila dihidupkan mencapai 50 V, jadi jangan menyentuh terminal tersebut dengan tangan. Perintah kerja : 1. Tentukan sensitivitas spesifik sebanyak tiga kali pada r dan U yang berbeda dalam batas yang ditentukan. 2. Hubungkan VK7-10A/1 ke jaringan dan hidupkan sakelar sakelar NETWORK di panel depannya. Biarkan voltmeter memanas selama beberapa menit. 3. Hubungkan B2-23 ke jaringan dan hidupkan sakelar sakelar NETWORK di panel depannya. Biarkan voltmeter memanas selama beberapa menit. 4. Setelah VK7-10A/1 memanas, siapkan untuk pengukuran. 5. Atur sakelar jenis pengoperasian di panel depan voltmeter ke posisi ZERO SETTING. Gunakan kenop ZERO SETTING untuk mendapatkan pembacaan nol pada semua dekade voltmeter. 6. Pindahkan saklar tipe kerja ke posisi KALIBRASI VOLTMETER. Gunakan kenop KALIBRASI VOLTMETER untuk memastikan voltmeter menunjukkan angka yang tertera pada panel sisi kanannya. Setelah ini, perangkat akan siap dioperasikan ketika semua sakelar diatur ke posisi yang ditunjukkan di bawah ini. 7. Pindahkan sakelar tipe kerja ke posisi pengukuran tegangan DC yang ditandai dengan tanda =. 8. Sakelar jangkauan harus berada pada posisi 100 V. Sakelar sakelar tipe start harus berada pada posisi OTOMATIS. 9. Durasi siklus pengukuran diatur menggunakan kenop penyesuaian halus dalam waktu 1–5 detik. 10. Setelah memanaskan voltmeter V2-23, periksa apakah sudah dipersiapkan dengan benar untuk pengoperasian. 11. Saklar START-UP VIEW harus pada posisi 1, saklar MEASUREMENT TIME harus pada posisi 1 s. 13. Sakelar BATAS PENGUKURAN pada posisi 100 V. 14. Hubungkan UIP-2 ke jaringan dan hidupkan sakelar sakelar NETWORK pada panelnya. 15. Hubungkan bola lampu mobil ke soket ~12 V di meja bergerak di bangku foto. 16. Selanjutnya melaksanakan pekerjaan sesuai petunjuk yang diberikan secara berurutan pada paragraf 4 sampai dengan 12 pada pekerjaan laboratorium sebelumnya 8 1.

19 19 Emisi spontan dan terstimulasi Mari kita perhatikan terlebih dahulu proses penyerapan dan emisi cahaya oleh atom (Gbr. 10). WK Wi 1. Di bawah pengaruh radiasi frekuensi vki = sebuah atom, yang menyerap h foton, berpindah dari keadaan berenergi Wi ke keadaan berenergi W K. 2. Sebuah atom yang terletak pada tingkat energi atas dapat secara tidak sengaja (spontan) secara spontan berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah, sambil memancarkan foton. Kemungkinan suatu atom akan secara spontan berpindah ke tingkat yang lebih rendah bervariasi. Anda dapat memasukkan masa hidup rata-rata pada tingkat energi tertentu (dalam keadaan dengan nilai energi tertentu) τ K. 3. Anda dapat mempengaruhi atom yang tereksitasi dengan foton eksternal lain (memiliki energi yang sama dengan energi foton yang dipancarkan secara spontan) ; dalam hal ini, atom yang tereksitasi akan berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah dan memancarkan foton, yang akan ditambahkan ke tingkat energi yang datang. Emisi terstimulasi seperti ini disebut emisi terinduksi atau terstimulasi. Ia memiliki fitur luar biasa berikut ini. Radiasi induksi terjadi dalam arah yang sama dengan radiasi yang menyebabkannya, dalam fase yang sama dan keadaan polarisasi yang sama. Dalam sumber cahaya konvensional, semua atom memancarkan cahaya secara independen—emisi atom spontan. Pada tahun 1954, fisikawan Soviet N.G. Basov dan A.M. Prokhorov dan, secara independen, fisikawan Amerika Charles Townes menciptakan generator gelombang radio molekuler pertama menggunakan emisi terstimulasi. Untuk pembuatan penguat dan generator kuantum, Basov, Prokhorov dan Townes dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1964. Generator kuantum yang memancarkan sinar tampak dan inframerah disebut laser atau generator kuantum optik. Laser (Bahasa Inggris LASER) berasal dari huruf pertama ungkapan: “Amplifikasi Cahaya dengan Stimulasi Emisi Radiasi. Mari kita pertimbangkan secara singkat prinsip pengoperasian laser solid-state, laser gas dan semikonduktor.

20 20 hv ki W K hv ki W K hv ki hv ki W K W i W i hv ki a) penyerapan b) spontan c) radiasi emisi terstimulasi Gambar. Gambar 10. Skema penyerapan dan emisi foton oleh atom Wi pemompaan optik λ ~ 5600 A 3 transisi tanpa radiasi tingkat utama tingkat metastabil 2 λ ~ 6943 A radiasi laser Gambar. 11. Skema laser rubi tiga tingkat (korundum Al 2 O 3 + Cr 3+) Generator kuantum optik solid-state Sebagai contoh, perhatikan laser rubi berdenyut. Ini terdiri dari kristal rubi korundum sintetis Al 2 O 3, di mana ion aluminium dalam jumlah kecil (~0,05%) digantikan oleh ion kromium. Warna merah rubi disebabkan oleh fakta bahwa ion kromium memiliki penyerapan cahaya selektif di bagian spektrum hijau-kuning. Diagram sederhana terjadinya emisi terstimulasi pada batu rubi ditunjukkan pada Gambar. 11. Ketika kristal rubi disinari dengan cahaya hijau dengan panjang gelombang kira-kira 5600 A, ion kromium masuk ke keadaan tereksitasi pada tingkat energi 3. Mereka dapat tetap dalam keadaan ini selama 10 6 detik, setelah itu ion kromium lewat tanpa radiasi ke tingkat metastabil 2. Selama transisi ini, ion kromium melepaskan energi ke kisi kristal rubi dan memanas. Ion-ion tetap berada pada tingkat metastabil untuk waktu yang lebih lama (~10 3 detik) dibandingkan pada tingkat atas. Ketika ion kromium berpindah dari tingkat energi ke-2 ke ke-1, kuanta radiasi elektromagnetik dipancarkan, foton dengan panjang gelombang = 6943 A 1

21 21 (lampu merah). Transisi semacam itu dapat dirangsang oleh foton dengan panjang gelombang yang sama, menyebabkan kembalinya ion kromium seperti longsoran salju ke keadaan energi dasar. Diagram laser solid-state ditunjukkan pada Gambar. 12. Sebuah batang rubi (panjang ~10 cm, diameter ~1 cm) terletak di dekat lampu flash. Untuk merangsang (memompa) zat aktif laser rubi, digunakan lampu flash pelepasan gas berdenyut, diisi dengan campuran gas neon dan kripton, sehingga menghasilkan cahaya hijau. Lampu flash ditempatkan di dalam reflektor logam khusus yang mengarahkan radiasinya ke batang rubi. Sumber tenaga lampu flash adalah kapasitor berkapasitas tinggi (C) yang diisi secara berkala dari sumber tegangan tinggi (HVS). Ujung datar batang rubi dibuat sejajar, dipoles dan diberi warna perak sehingga terbentuk dua cermin, salah satunya tembus cahaya. Selama pengoperasian, laser memanas dan harus didinginkan. Mari kita perhatikan pembentukan sinar pada zat aktif laser (Gbr. 13). Cahaya dari lampu flash yang diserap oleh ion kromium menyebabkannya menjadi tereksitasi; kemudian mengikuti transisi non-radiasi ke tingkat metastabil. Apa yang disebut “pemompaan optik” terjadi. Beberapa atom kromium yang tereksitasi secara spontan memancarkan foton, berpindah ke tingkat energi dasar. Foton dengan arah gerak sejajar dengan sumbu rubi, berulang kali dipantulkan dari cermin ujung, melibatkan lebih banyak atom kromium dan radiasi induksi menciptakan longsoran foton. Dengan amplifikasi yang cukup, sebagian berkas keluar melalui ujung kristal yang tembus cahaya. Karena kenyataan bahwa hanya foton yang bergerak sepanjang sumbu tabung atau pada sudut kecil terhadapnya yang dapat membuat banyak jalur di antara cermin dan dengan demikian diperkuat secara efektif, laser memancarkan cahaya dalam bentuk yang hampir paralel. pancaran foton yang sangat terarah. Foton-foton dalam berkas ini mempunyai frekuensi yang sama dan berada dalam fase yang sama, sehingga seluruh berkas bersifat monokromatik dan sangat koheren. Durasi pulsa laser sangat singkat. Daya keluaran laser ruby ​​​​mencapai puluhan juta watt per pulsa dengan penampang sinar sekitar 1 cm 2 ; amplitudo medan listrik gelombang cahaya mencapai 10 6 V/cm. Jika Anda memfokuskan berkas radiasi koheren dari laser menggunakan lensa konvensional, maka Anda dapat mencapai penampang 0,001 cm dan intensitas W/cm 2, dan amplitudo medan listrik gelombang cahaya mencapai 10 9 V/cm. Dalam hal ini, semua bahan tahan api akan meleleh dan menguap.

22 Divergensi sinar laser sangat kecil dan kira-kira 0,001 radian, yang setara dengan perluasan sinar hingga 1 m pada jarak 1 km. Jika Anda menggunakan sistem optik, Anda dapat mengurangi perbedaan sebanyak 100 kali (1 m per 100 km). Laser gas Perangkat laser gas ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 14. Elemen aktif laser gas adalah tabung (sel) kaca atau kuarsa dengan diameter 1 mm sampai beberapa sentimeter dan panjang cm. Elektroda logam terletak di ujung tabung pelepasan gas ini, dan katoda kadang-kadang dipanaskan untuk memudahkan emisi. 22 Lampu flash berdenyut Cermin reflektor bahan kerja Gambar. 12. Skema atom laser keadaan padat dari zat aktif dalam keadaan tidak tereksitasi pemompaan optik awal radiasi perkembangan longsoran foton Keluaran sinar IVN adalah cermin elektron semi-transparan. Sel gas terletak. Pintu keluar sinar berada di antara dua cermin paralel pada zat laser. 13. Skema pembentukan berkas pada generatrix aktif resonator optik. Cermin dipasang di kepala khusus, mekanisme yang memungkinkan resonator disesuaikan dengan akurasi yang diperlukan. Salah satu cermin dibuat tembus cahaya untuk mengeluarkan sinar laser. Jendela saluran keluar gas

23 23 kuvet terletak miring terhadap porosnya pada sudut Brewster. Sinar cahaya yang datang pada permukaan dielektrik dengan sudut Brewster dan terpolarisasi pada bidang datang akan melewatinya tanpa hilang (tidak mengalami pemantulan). Pelepasan gas di dalam sel (tabung) dapat dinyalakan menggunakan sumber tegangan tinggi IVN (1,5 10 kV) atau menggunakan generator frekuensi tinggi. Ada cara lain untuk merangsang zat aktif dalam laser gas. Mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian laser helium-neon. Zat aktifnya adalah plasma pelepasan gas yang diperoleh dari campuran helium dan neon. Diagram sederhana tingkat energi dan transisi dalam laser ini ditunjukkan pada Gambar. 15. Karyanya didasarkan pada interaksi atom dua gas yang memiliki tingkat energi serupa. Atom helium tereksitasi oleh pelepasan ke keadaan metastabil 2. Hampir identik dengan keadaan 3 neon. Selama tumbukan atom helium yang tereksitasi (dalam keadaan 2) dengan atom neon, atom neon juga tereksitasi dan berpindah ke tingkat energi 3. Hal ini menyebabkan populasi tingkat 3 berbanding terbalik dengan tingkat 2. Terjadi radiasi koheren terstimulasi, sesuai dengan 3 2 transisi (λ = 6328 A , radiasi merah). Radiasi laser gas sangat monokromatik dan koheren. Lebar spektrum radiasi laser gas yang menggunakan campuran helium-neon diperoleh sekitar 1 Hz. Telah ditetapkan bahwa banyak gas lain yang dapat digunakan sebagai zat aktif dalam laser gas, yang dapat menghasilkan radiasi koheren pada beberapa ratus frekuensi berbeda mulai dari radiasi ultraviolet hingga inframerah jauh. Laser gas berdaya tinggi telah dibuat menggunakan campuran gas CO 2 N 2 He, yang beroperasi pada panjang gelombang 10,6 m (radiasi inframerah). Daya radiasinya mencapai 60 kW dalam mode kontinu dengan efisiensi hingga 25% atau lebih. Energi pulsa radiasi selama operasi laser berdenyut melebihi 2000 J. Laser berdaya tinggi berhasil digunakan dalam sejumlah proses teknologi; misalnya, untuk pengelasan, pemotongan, pengolahan bahan yang sangat keras dan tahan panas. Laser semikonduktor Laser semikonduktor memiliki perolehan cahaya yang besar per satuan panjang semikonduktor tereksitasi dan dimensi elemen laser yang kecil (sekitar 0,5 mm); efisiensi tinggi (hingga 100%); rentang panjang gelombang yang dipancarkan sangat luas (dari sekitar 0,3 hingga 30 µm). Efisiensi tinggi dalam mengubah energi eksitasi menjadi radiasi dicapai karena fakta bahwa dalam hal ini

24 cermin 24 sel gas keluaran sinar IVN Jendela Brewster Gambar. 14. Diagram desain laser gas 2 transfer energi eksitasi yang dipompa oleh elektron radiasi laser λ=6328 A 3 transisi non-radiasi 2 1 He Ne permukaan tanah 1 Gambar. 15. Diagram tingkat energi laser gas. Dalam hal ini, untuk memompa laser, arus listrik digunakan untuk memompanya melalui semikonduktor, yang energinya langsung diubah menjadi radiasi koheren. Hal ini juga memungkinkan untuk mengontrol radiasi (memodulasinya) dengan mengubah intensitas arus pompa. Laser semikonduktor berdasarkan gallium arsenide (GaAs) telah mendapat perkembangan terbesar. Secara struktural, laser semikonduktor dirancang mirip dengan dioda semikonduktor konvensional dengan sambungan pn (Gbr. 16). Ini adalah kristal tunggal galium arsenida, bentuknya mirip kubus. Persimpangan pn terletak di dekat bagian tengah kristal dan membentuk bidang yang tegak lurus terhadap dua permukaan yang berlawanan, yang dipoles dengan tingkat akurasi yang tinggi dan, karena koefisien refleksi yang tinggi (~30%), membentuk cermin perangkat . Dua sisi muka dibuat miring pada sudut tertentu, yang mencegah penguatan ke arah

25 elektroda atas elektroda bawah 25 area tipe p ~0,5 mm area persimpangan pn area tipe n Permukaan depan balok keluar Gambar. 16. Skema laser semikonduktor, daerah rekombinasi elektron dan lubang sambungan p-n I = 0 I 0 Gambar. 17. Skema pembangkitan radiasi pada laser semikonduktor yang tegak lurus terhadap permukaan tersebut. Mari kita perhatikan secara singkat prinsip pengoperasian laser semikonduktor (Gbr. 17). Spektrum energi semikonduktor mempunyai pita lebar keadaan elektron yang diperbolehkan: pita valensi dan pita konduksi, dipisahkan oleh celah pita. Karena adanya pengotor pada semikonduktor tipe-n, terdapat elektron konduksi bebas pada pita konduksi, dan pada semikonduktor tipe-p terdapat “lubang” pada pita valensi. Dengan arah arus yang sesuai melalui sambungan pn, elektron dan lubang bergerak menuju satu sama lain. Di daerah persimpangan p-n, konsentrasi pembawa arus yang sangat tinggi (elektron konduksi dan lubang) muncul, dan terjadi rekombinasi pasangan lubang elektron. Ketika elektron dari pita konduksi bergabung kembali dengan lubang dari pita valensi, energi dilepaskan dalam bentuk foton cahaya. Foton yang dipancarkan pada saat rekombinasi elektron dengan lubang akan merangsang

26 26 mengidentifikasi rekombinasi pembawa saat ini. Radiasi terstimulasi terjadi. Frekuensi radiasi ditentukan oleh celah pita ΔE: hv = ΔE, dimana h adalah konstanta Planck. Agar radiasi induksi (pembangkitan) dapat terjadi, kepadatan arus yang sangat tinggi perlu dibuat pada sambungan pn, sekitar beberapa ribu ampere per sentimeter persegi. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam kepadatan arus, intensitas radiasi laser juga meningkat. Daya emisi laser semikonduktor dalam mode berdenyut mencapai puluhan watt (dengan durasi pulsa sekitar mikrodetik), dalam mode kontinu, satuan watt. Divergensi sinar laser ini adalah yang terbesar (mencapai beberapa derajat), yang dijelaskan oleh kecilnya ukuran resonator yang dibentuk oleh tepi kristal semikonduktor. Laser semikonduktor memiliki dimensi dan berat keseluruhan yang relatif kecil, efisiensi tinggi (50–70%), dan panjang gelombang radiasinya berkisar dari ultraviolet hingga wilayah spektrum inframerah jauh. Semua ini menjadikan laser semikonduktor sebagai sumber radiasi yang sangat menjanjikan dalam jangkauan optik. Area kemungkinan penerapan ilmiah dan teknis laser (generator kuantum optik) semakin berkembang. Laser banyak digunakan terutama untuk tujuan berikut: 1) untuk transmisi informasi (komunikasi multisaluran, televisi, telekontrol); 2) pengolahan bahan tahan api (pengeboran, pemotongan, pengelasan); 3) penciptaan komputer berkecepatan tinggi yang mampu memproses informasi dalam jumlah besar; 4) penciptaan proses teknologi baru dalam produksi bahan kimia. Saat ini sudah terdapat pengukur jarak berbasis laser, misalnya mengukur jarak orde 30 km dengan akurasi ~ 2 cm, pemandangan laser, alat untuk mengebor dan memotong lubang sangat tipis pada berlian, rubi, paduan superkeras, dan zat lainnya. . Di banyak negara, produksi berbagai mesin yang dikendalikan komputer menggunakan laser gas gelombang kontinu telah dimulai. Penggunaan laser dalam pengobatan, navigasi, fotografi, dll. semakin meluas. Soal tes dan tugas tentang laser 1. Apa perbedaan radiasi induksi dengan radiasi spontan? 2. Jelaskan prinsip pengoperasian dan desain laser tiga tingkat (menggunakan contoh laser rubi). 3. Jelaskan skema level dan transisi dalam laser gas menggunakan campuran helium

27 27 neon dan desainnya. 4. Jelaskan prinsip pengoperasian dan desain laser semikonduktor. 5. Apa saja ciri khas radiasi laser? 6. Apa saja bidang utama dan bidang penerapan laser yang menjanjikan. Sastra tentang laser 1. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Mata kuliah Fisika, jilid III. M.: Sekolah Tinggi, 1971, 536 hal. (Dengan). 2. Savelyev I.V. Mata kuliah fisika umum, jilid III. M.: Sains, hal. (Dengan). 3. Sobolev N.A. Laser dan masa depannya. M.: Atomizdat, hal. 4. Borisov Yu.Laser melayani manusia. M.: Energi, hal. 5. Grigoryants V.V. laser. M.: Pengetahuan, hal. 6. Penerapan laser: Terjemahan. dari bahasa Inggris Ed. V.P. Tychinsky. M.: Mir, hal.

28 28 Pekerjaan laboratorium 8 3 Penentuan divergensi sudut berkas dan panjang gelombang radiasi laser semikonduktor Tujuan pekerjaan. Biasakan diri Anda dengan prinsip pengoperasian dan desain laser gas helium-neon; memperkirakan divergensi sudut eksperimental sinar laser; mengukur panjang gelombang radiasi laser helium-neon menggunakan kisi difraksi. Perangkat dan aksesori. Generator kuantum optik semikonduktor (penunjuk laser); kisi difraksi 100 garis per 1 mm, dipasang pada tripod; layar. Deskripsi pengaturan eksperimental Diagram pengaturan eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 18. Generator kuantum optik semikonduktor berdaya rendah (2 mW) digunakan. Seberkas cahaya dari laser jatuh ke layar secara langsung atau setelah terlebih dahulu melewati kisi difraksi. Dalam kasus pertama, sinar digunakan untuk menentukan perbedaan sudut sinar laser. Yang kedua, menentukan panjang gelombang radiasi berdasarkan fenomena difraksi cahaya. Sinar yang melewati kisi difraksi menghasilkan pola difraksi maksimum difraksi nol, pertama, kedua, dan seterusnya. memesan. Sudut ϕ antara maksimum difraksi orde nol dan orde ke-n ditentukan dari kondisi d sin ϕ = n λ, l n=2 1 0 y 1 2 DR Tombol daya Laser D Layar L Gambar. 18. Diagram pengaturan eksperimen

29 29 dimana λ adalah panjang gelombang radiasi; n urutan difraksi maksimum; d = 10 5 m = 10 µm adalah periode kisi difraksi yang diketahui. Latihan Perintah Kerja 1. Menentukan divergensi sudut sinar laser. 1. Nyalakan laser dengan menekan tombol non-lock di atasnya. 2. Ukur diameter D titik cahaya di layar pada dua jarak berbeda L dari laser ke layar. 3. Perkirakan divergensi sudut sinar laser menggunakan rumus D2 D1 ϕ (rad) sinϕ =. L L 2 1 Latihan 2. Menentukan panjang gelombang radiasi dari laser helium-neon. 7. Nyalakan laser dengan menekan tombol non-lock di atasnya. 8. Ukur di layar jarak y antara difraksi maksimum nol dan orde pertama, nol dan kedua pada dua nilai jarak antara layar dan kisi difraksi. Tuliskan nilai yang diperoleh ke dalam tabel. Orde maksimum, y, mm l, mm sin ϕ λ, μm λ RATA-RATA Δλ n Dengan menggunakan rumus d sinϕ = nλ, dimana sinϕ = y, l, dengan menggunakan nilai y dan l yang diperoleh, hitung panjang gelombang radiasi λ. Catat hasilnya dalam sebuah tabel. Petunjuk keselamatan Catatan umum. Radiasi laser (langsung, pantulan tersebar) bila mengenai organ penglihatan atau kulit dapat menyebabkan kerusakan. Efek radiasi laser pada jaringan hidup bergantung pada kekuatan fluks cahaya dan mode iradiasi. Laser kontinu terutama memiliki efek termal, yang memanifestasikan dirinya dalam efek fotokoagulasi. Laser berdenyut (durasi pulsa τ s, energi pulsa E 0, J) dapat menyebabkan transformasi kompleks pada jaringan: selain aksi termal, proses ledakan juga mungkin terjadi (pembentukan gelombang kejut yang terkait dengan peningkatan pesat dalam perbedaan suhu yang tajam di area tersebut. iradiasi), proses ionisasi dan

30 30 dr. Radiasi laser sangat berbahaya bagi mata. Bahkan laser helium-neon berdaya rendah dengan kekuatan 1 mW dapat menciptakan kepadatan daya sekitar 10 3 pada retina mata (sistem optik mata menyerupai lensa pengumpul yang memfokuskan radiasi pada retina). W/cm 2, yang jauh melebihi standar yang diizinkan (0,35 W/cm 2 ). Radiasi tidak fokus dari laser gas berdaya rendah (P = mW) tidak menyebabkan perubahan biologis apa pun bila terkena kulit dalam waktu singkat. Dilarang keras mengarahkan laser secara langsung atau dipantulkan dari permukaan halus ke dalam organ penglihatan. Hal ini dapat menyebabkan hilangnya penglihatan sebagian atau seluruhnya. Perlu diingat bahwa kulit kelopak mata sebagian besar memancarkan sinar merah dan infra merah. Oleh karena itu, saat menutup mata, kelopak mata tidak dapat melindunginya.

31 31 Pekerjaan laboratorium 8 4 Mempelajari ketergantungan suhu terhadap hambatan listrik semikonduktor Tujuan pekerjaan. Studi tentang ketergantungan hambatan listrik suatu semikonduktor pada suhu dan penentuan energi aktivasinya. Deskripsi pengaturan eksperimental Untuk mendapatkan ketergantungan suhu dari resistansi semikonduktor, digunakan pengaturan, diagramnya ditunjukkan pada Gambar. 19. Sampel uji (1) terletak di sebelah pemanas keramik berbentuk tabung (2), yang bila dihubungkan ke jaringan melalui transformator step-down (3), memastikan pemanasan sampel. Untuk mengukur suhu digunakan termometer air raksa (4) dengan batas pengukuran dari 0 sampai C. Resistansi sampel diukur menggunakan ohmmeter (5) dengan menekan tombol (6). Beras. 19. Skema pengaturan eksperimental. Termistor semikonduktor tipe MMT-4, dibuat berdasarkan bahan semikonduktor tembaga-mangan, digunakan sebagai sampel uji. Sistem yang terdiri dari campuran logam transisi (oksida tembaga, mangan, dan kobalt) biasanya mempunyai sifat tajam

32 32 sifat semikonduktor yang diucapkan. Selain itu, logam transisi, dengan mengubah valensinya dalam senyawa, memungkinkan untuk mensintesis bahan semikonduktor dengan resistivitas ρ = Ohm m. Karena suhu pemanas selama pengoperasian mencapai 80 0 C, Anda tidak boleh menyentuh permukaan pemanas dengan tangan dalam waktu lama untuk menghindari luka bakar. Anda juga tidak boleh menyentuh elektroda yang menyuplai arus ke pemanas. Prosedur kerja 1. Ukur resistansi termistor pada suhu kamar dengan menekan tombol (6). Masukkan pada baris pertama tabel pembacaan termometer (suhu ruangan) t (0 C) dan resistansi terukur R (Ohm). 2. Hubungkan trafo (2) yang memberi daya pada elemen pemanas ke jaringan 220 V. 3. Memperbaiki suhu termistor pemanas setiap 5 0 C, catat pembacaan ohmmeter R nag yang sesuai dalam tabel hingga suhu inklusif 80 0 C. t, 0 C Tabel data percobaan T, 1/T, R pemanasan K K 1 Ohm R pendinginan Ohm R rata-rata Ohm ln (R rata-rata) 10. Ketika suhu termistor mencapai 80 0 C, matikan tegangan suplai transformator. 11. Sekali lagi, catat suhu termistor pendingin setiap 5 o C, catat pembacaan ohmmeter yang sesuai R dingin.

Kuliah 3 Soal Konduktivitas Listrik Semikonduktor. Konsep konduktivitas intrinsik dan pengotor semikonduktor, ketergantungannya pada suhu dan pencahayaan. 3.. Sifat dasar semikonduktor

Laporan Laboratorium Departemen Fisika Institusi Pendidikan Tinggi Negeri "UNVERSITAS TEKNIK NASIONAL DONETSK" 95 PENGANTAR PEKERJAAN LASER HELIUM-NEON DAN KAJIAN SIFAT-SIFAT LASER

PEKERJAAN LABORATORIUM 9a STUDI FENOMENA DIFRAKSI MENGGUNAKAN LASER Prinsip fisika pengoperasian generator kuantum optik. Laser (generator laser kuantum optik) adalah sebuah perangkat

Pekerjaan 5.10 Penentuan celah pita semikonduktor sepanjang tepi serapannya sendiri Peralatan: prisma monokromator UM-2, lampu pijar, galvanometer, fotoresistor kadmium sulfida,

SEMIKONDUKTOR Semikonduktor adalah padatan yang pada T = 0 pita valensi terisi penuh dan dipisahkan dari pita konduksi dengan celah pita yang sempit, dibandingkan dengan dielektrik yang lebarnya

1. Klasifikasi benda padat berdasarkan konduktivitas sesuai dengan teori pita. Sesuai dengan prinsip mekanika kuantum, elektron suatu atom dapat memiliki nilai energi tertentu atau ditempatkan

Interaksi cahaya dengan materi.. Penyerapan emisi spontan dan terstimulasi.. Prinsip keseimbangan rinci dan rumus Planck.. Prinsip operasi laser. 4. Sifat radiasi laser

Pekerjaan laboratorium 19 EFEK FOTO INTERNAL. STUDI KARAKTERISTIK FOTORESISTOR Tujuan pekerjaan: mempelajari secara eksperimental karakteristik tegangan arus, cahaya dan spektral fotoresistensi.

Selain pekerjaan laboratorium 2.02 “Ketergantungan suhu pada resistivitas logam dan semikonduktor” (versi otomatis) Pekerjaan ini terdiri dari dua bagian independen: “Konduktivitas

PEKERJAAN LABORATORIUM KS-3 PENGUKURAN LEBAR BANDGAND SEMIKONDUKTOR. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari teori pita benda padat; penentuan eksperimental celah pita berdasarkan suhu

Kuliah 7. Bahan semikonduktor Ciri-ciri semikonduktor Semikonduktor adalah kelompok zat yang paling umum di alam. Ini termasuk unsur kimia: boron (B), karbon (C), silikon

Pekerjaan 42 Mempelajari karakteristik fotoresistor Tujuan pekerjaan Untuk mengenal prinsip pengoperasian fotoresistor dan mempelajari karakteristik tegangan arus, cahaya dan spektral, memperkirakan lebar celah pita

Pekerjaan 5.9 Mempelajari laser gas Peralatan: laser gas, kit difraksi dan interferensi, penggaris pengukur, layar. Pendahuluan Fenomena interaksi cahaya dengan materi pada termodinamika normal

Badan Federal untuk Pendidikan Federasi Rusia Universitas Teknik Negeri Ukhta 32 Studi pengoperasian penyearah semikonduktor Pedoman pekerjaan laboratorium untuk siswa dari semua

11 SEMIKONDUKTOR DAN DIELEKTRIK Nonlogam berbeda dari konduktor dengan adanya pita energi terlarang g untuk elektron. Struktur pita energi semikonduktor intrinsik ditunjukkan pada Gambar 14 Keadaan,

INSTITUTE PENERBANGAN MOSKOW (UNVERSITAS TEKNIK NEGARA) Pekerjaan laboratorium “Studi tentang generator kuantum berdasarkan campuran gas helium dan neon” Moskow, 2006. Pekerjaan tersebut mengkaji

Pekerjaan 3.9 Studi ketergantungan resistansi logam dan semikonduktor pada suhu Peralatan: sampel uji, perangkat elektronik digital Shch433 dan M89G, termostat, sakelar ganda,

KEMENTERIAN PENDIDIKAN FEDERASI RUSIA UNIVERSITAS NEGERI KURGAN Jurusan “Fisika Umum” Jurusan “Fisika Umum” Disiplin: Fisika Disusun oleh: Associate Professor, Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika Novgorodova

Tujuan pekerjaan: mempelajari fenomena otoelektrik pada semikonduktor. 3 Tugas: menghilangkan karakteristik resistivitas cahaya dan tegangan arus. Instrumen dan aksesoris: resistansi, mikroammeter,

Jurusan Fisika Eksperimental PEKERJAAN LABORATORIUM SPbSPU 202 KETERGANTUNGAN SUHU TERHADAP TAHAN LISTRIK LOGAM DAN SEMIKONDUKTOR TUJUAN KERJA Penentuan koefisien hambatan suhu

Pekerjaan Laboratorium 4 STUDI KETERGANTUNGAN SUHU RESISTENSI SEMIKONDUKTOR TUJUAN PEKERJAAN Kajian teoritis dan eksperimental ketergantungan konduktivitas semikonduktor pada suhu. PERANGKAT

Tujuan pekerjaan. Selidiki konduktivitas semikonduktor dengan konduktivitas intrinsik dan pengotor. Tugas. 1. Tentukan karakteristik arus-tegangan suatu semikonduktor dan ketergantungan arus yang melalui semikonduktor

PEKERJAAN LABORATORIUM 3.8. FOTOKONDUKTIFITAS FILM SEMIKONDUKTOR Pendahuluan Fenomena fotokonduktivitas adalah peningkatan konduktivitas listrik suatu semikonduktor di bawah pengaruh cahaya. Fenomena ini digunakan

Materi metodologis untuk sertifikasi dalam disiplin "Perangkat gelombang mikro dan optik" untuk pelatihan siswa dalam spesialisasi 210404.65 "Sistem telekomunikasi multisaluran" I. Materi

Kuliah 1 Unsur teori pita benda padat. Struktur penghalang. Dioda Schottky (persimpangan logam-semikonduktor) Atom tunggal memiliki tingkat energi elektron yang terpisah. Ketika digabungkan menjadi kristal

Kuliah 4 Arus dalam ruang hampa. Semikonduktor Arus listrik dalam ruang hampa. Dioda vakum Jika dua elektroda ditempatkan dalam bejana tertutup dan udara dikeluarkan dari bejana, maka, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, arus listrik

Kuliah 1. Konduktivitas listrik semikonduktor. Semikonduktor murni Semikonduktor menempati posisi perantara dalam konduktivitas listrik antara logam (konduktor arus listrik) dan dielektrik.

File dengan jawaban soal 31 dari daftar soal 2012 Konsep Opsional Koefisien Einstein Perhatikan diagram dua tingkat tingkat energi atom. Diasumsikan dengan tepat bahwa keberadaannya

PEKERJAAN LABORATORIUM 3.09. KAJIAN EFEK FOTO EKSTERNAL Pendahuluan Efek fotolistrik luar adalah fenomena pelepasan (emisi) elektron oleh permukaan suatu zat di bawah pengaruh cahaya (oleh karena itu

STRUKTUR ZAT MEMPELAJARI FENOMENA EFEK FOTO Tujuan penelitian: Mempelajari tiga jenis efek foto: eksternal, internal dan katup. 1. Pengenalan teori singkat Ada tiga jenis efek fotolistrik:

KULIAH ILMU BAHAN FISIK 11 KONDUKTIVITAS LISTRIK Mekanisme konduktifitas listrik. Pengukuran konduktivitas listrik, volume dan konduktivitas permukaan. Emisi: termionik, emisi lapangan,

Badan Federal untuk Pendidikan Universitas Negeri Tomsk Sistem Kontrol dan Radioelektronik Departemen Fisika Fisika PENENTUAN LEBAR BANDGAND SEMIKONDUKTOR BERDASARKAN KETERGANTUNGAN SUHU

Laporan Laboratorium Jurusan Fisika Perguruan Tinggi Negeri “UNVERSITAS TEKNIK NASIONAL DONETSK” 107 PENENTUAN LEBAR BANDGAP SEMIKONDUKTOR BERDASARKAN FOTOEMISI

UNIVERSITAS PEDAGOGIS NEGARA TULA dinamai demikian. L.N. Pekerjaan Laboratorium Tolstoy 6 Mempelajari ketergantungan suhu terhadap resistansi semikonduktor dan penentuan energi aktivasi Tula 9 Tujuan

“Perhitungan konsentrasi pembawa muatan dalam kristal” Redusabilitas suatu zat padat ditentukan, pertama-tama, oleh konsentrasi elektron dan lubang yang mampu membawa muatan. Konsentrasi pembawa muatan

Kementerian Pendidikan Federasi Rusia UNIVERSITAS NEGERI IRKUTSK PENENTUAN PANJANG GELOMBANG RADIASI LASER DAN UKURAN Hambatan KECIL Pedoman Irkutsk 2004 Dicetak

Universitas Negeri Nizhny Novgorod dinamai menurut namanya. Laporan Laboratorium Elektronika Fakultas Radiofisika N. I. Lobachevsky: PENGUKURAN SEUMUR HIDUP DAN PANJANG DIFUSI PEMBAWA NONEQUILIBRIUM

KEMENTERIAN PENDIDIKAN FEDERASI RUSIA AKADEMI ARSITEKTUR DAN KONSTRUKSI NEGARA KAZAN Jurusan Fisika PETUNJUK METODOLOGI PEKERJAAN LABORATORIUM FISIKA bagi mahasiswa peminatan

Pekerjaan laboratorium 3.12 MEMPELAJARI EFEK FOTO INTERNAL S.V. Ratkevich Tujuan pekerjaan: 1. Mempelajari dasar-dasar teori konduktivitas semikonduktor. 2. Mempelajari fenomena efek fotolistrik internal. 3. Jelajahi kecanduan

Pekerjaan Laboratorium 11 PENENTUAN KONSTAN DAN KERJA PLANCK FOTOKATODA DENGAN METODE POTENSI RETARDING Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk melakukan verifikasi eksperimental persamaan Einstein untuk efek fotolistrik eksternal;

Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia Universitas Federal Ural dinamai Presiden pertama Rusia B. N. Yeltsin PENELITIAN RESISTOR SEMIKONDUKTOR Petunjuk metodologis untuk laboratorium

1 Seni. guru Kirilchuk O.V., St. guru V.N.Vinogliadov Pekerjaan laboratorium 5-9(n): Mempelajari dioda semikonduktor Siswa: kelompok: Perlindungan Eksekusi Masuk Tujuan kerja: mempelajari prinsip

BADAN PENDIDIKAN FEDERAL Institusi pendidikan tinggi negeri “UNVERSITAS POLITEKNIK TOMSK” Jurusan Fisika Teoritis dan Eksperimental

Badan Federal untuk Pendidikan Institusi Pendidikan Negara Pendidikan Profesi Tinggi "Universitas Teknik Negeri Ural-UPI" SEMIKONDUKTOR Pertanyaan untuk kontrol terprogram dalam fisika untuk siswa dari semua bentuk pendidikan

Pekerjaan 5. Studi efek fotolistrik Peralatan: fotosel, catu daya, pengatur tegangan, sumber cahaya, monokromator, voltmeter, galvanometer. Pendahuluan Diantara berbagai fenomena yang ada

Tes 4 Opsi 0 1. Atom hidrogen yang tidak tereksitasi menyerap kuantum radiasi dengan panjang gelombang 97,2 nm. Hitung, dengan menggunakan teori Bohr, jari-jari orbit elektron atom hidrogen yang tereksitasi

13 “Generasi dan rekombinasi pembawa muatan” Pembentukan elektron dan lubang bebas, pembangkitan pembawa muatan terjadi di bawah pengaruh pergerakan kacau termal atom-atom kisi kristal

PEKERJAAN LABORATORIUM 70 PENENTUAN KONSTAN PLANCK MENGGUNAKAN LASER SEMIKONDUKTOR 1. Tujuan percobaan Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mengenal prinsip pengoperasian laser injeksi semikonduktor,

KONDUKTIVITAS SEMIKONDUKTOR. P - N - TRANSISI Konduktor, semikonduktor, dielektrik. Diagram energi pita Konduktor memiliki banyak elektron bebas, dielektrik memiliki elektron valensi

Pekerjaan laboratorium 91 MENENTUKAN SENSITIVITAS INTEGRAL FOTOSEL Tujuan pekerjaan: mempelajari prinsip pengoperasian fotosel dan menentukan sensitivitasnya. Peralatan dan bahan: Pengaturan laboratorium

AKADEMI ARSITEKTUR DAN KONSTRUKSI NEGARA KAZAN PETUNJUK METODOLOGI PEKERJAAN LABORATORIUM FISIKA Jurusan Fisika bagi mahasiswa peminatan 290300, 290600, 290700, 290800, 291000, 240400,

1 STUDI ABSORPSI OPTIK SEMIKONDUKTOR Tujuan pekerjaan : pengenalan fenomena serapan radiasi optik oleh suatu semikonduktor, pengukuran spektrum serapan kristal CdS dan GaAs pada suhu kamar

Jurusan Fisika Eksperimental SPbPU Transisi lubang elektron Petunjuk metodologi lokakarya laboratorium fisika umum SPbPU 2014 Pekerjaan laboratorium 2.08 “Transisi lubang elektron” 1 http://physics.spbstu.ru

Laporan Laboratorium Departemen Sains Institusi Pendidikan Tinggi Negeri "UNVERSITAS TEKNIK NASIONAL DONETSK" 108 STUDI FOTOKONDUKTIFITAS SEMIKONDUKTOR (internal otoekt)

Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia Universitas Negeri Tomsk Sistem Kontrol dan Radioelektronik (TUSUR) Departemen Fisika STUDI INTERFERENSI RADIASI LASER Manajemen

Dalam medium homogen, cahaya merambat lurus, oleh karena itu benda buram yang dilalui cahaya biasanya menghasilkan bayangan geometris. Namun jika ukuran hambatannya mencukupi

Isi : 1. Asal usul pita energi pada kristal 2. Logam, sebaran pita energi 3. Dielektrik, sebaran pita energi 4. Semikonduktor ditinjau dari teori pita

Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia Universitas Teknik Negeri Saratov PENENTUAN LEBAR SEMIKONDUKTOR PITA TERLARANG Pedoman pelaksanaan uji laboratorium

PEKERJAAN 5 STUDI DIODA SEMIKONDUKTOR Tujuan pekerjaan : menentukan karakteristik arus-tegangan suatu dioda semikonduktor. Perangkat semikonduktor dioda semikonduktor dengan dua terminal, prinsip operasi

Pekerjaan laboratorium 315 STUDI KETERGANTUNGAN SUHU TERHADAP KETAHANAN LOGAM DAN SEMIKONDUKTOR Instrumen dan aksesoris: sampel terukur, penangas minyak, sumber arus searah ke pengaduk, universal

Teori pita benda padat adalah teori elektron valensi yang bergerak dalam medan potensial periodik kisi kristal; ini adalah dasar dari gagasan modern tentang mekanisme berbagai fenomena fisik yang terjadi pada benda padat ketika terkena medan elektromagnetik.

Atom individu (ini dapat dianggap sebagai atom gas,
uap, padatan, jika kita berasumsi bahwa jarak antara keduanya jauh lebih besar daripada periode kisi kristal) dapat memiliki energi yang sangat pasti, atau, seperti yang mereka katakan, dapat menempati tingkat energi tertentu. Atom-atom tersebut mempunyai spektrum energi diskrit (contoh spektrum tersebut ditunjukkan pada Gambar 1.9 di sebelah kiri). Beberapa tingkat energi ini terisi dalam keadaan atom yang tidak tereksitasi (normal), elektron dapat ditemukan pada tingkat lain hanya ketika atom tereksitasi oleh pengaruh energi eksternal (peningkatan suhu, medan listrik, radiasi elektromagnetik atau radioaktif, dll; .). Atom yang tereksitasi, seperti sistem lainnya, cenderung ke keadaan stabil, yaitu. ke keadaan dengan energi internal minimal. Hal ini menyebabkan pelepasan energi oleh atom yang tereksitasi pada saat elektron bertransisi ke tingkat energi di mana energi atom minimal. Ketika pengaruh eksternal berubah, atom dapat kembali ke keadaan normal dan tidak tereksitasi.

Gambar 1.9. Lokasi tingkat energi: satu atom - di sebelah kiri garis putus-putus vertikal; benda padat - di sebelah kanan.

Ketika atom-atom individu saling mendekat pada jarak yang merupakan karakteristik kisi kristal, kulit elektron terluar tumpang tindih, yang secara signifikan mengubah sifat pergerakan elektron. Sekarang elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lainnya tanpa mengubah energi melalui pertukaran, yaitu. bergerak mengelilingi kristal. Interaksi pertukaran bersifat kuantum murni dan merupakan konsekuensi dari elektron yang tidak dapat dibedakan. Seperti yang telah ditunjukkan ketika mempertimbangkan ikatan ionik dan logam, dalam hal ini tidak mungkin lagi membicarakan kepemilikan satu atau beberapa elektron pada atom tertentu - setiap elektron valensi menjadi milik semua atom kisi kristal secara bersamaan, mis. elektron dibagikan.

Karena interaksi pertukaran, tingkat energi atom terisolasi dalam zat padat dibagi menjadi zona energi (lihat Gambar 1.9). Diizinkan zona energi dipisahkan dilarang interval energi, mis. interval nilai energi yang tidak dapat dimiliki oleh elektron dalam kristal tertentu. Lebar pita energi yang diperbolehkan tidak bergantung pada ukuran kristal, tetapi ditentukan oleh sifat atom pembentuk padatan dan simetri kisi kristal. Tidak hanya tingkat energi normal (stasioner) tetapi juga tingkat energi tereksitasi dibagi menjadi beberapa zona. Semakin tinggi pita yang diperbolehkan pada skala energi, semakin besar lebarnya dan semakin kecil lebar celah pitanya.

Setiap zona terdiri dari banyak tingkat energi, jumlahnya ditentukan oleh jumlah atom penyusun zat padat, yaitu. dalam kristal dengan ukuran terbatas, jarak antar level berbanding terbalik dengan jumlah atom. 1 cm 3 zat padat kristal mengandung 10 22 – 10 23 atom. Karena lebar pita valensi, misalnya, tidak melebihi beberapa eV, maka kadar dalam pita ini dipisahkan satu sama lain sebesar 10 -22 - 10 -23 eV. Akibatnya, pita energi dicirikan oleh spektrum kuasi-kontinu dan energi yang sangat rendah sehingga menyebabkan transisi elektron dari satu tingkat ke tingkat lainnya, jika terdapat keadaan bebas (tingkat) di sana.

Sesuai dengan prinsip Pauli, setiap tingkat energi tidak boleh mengandung lebih dari dua elektron, sehingga jumlah keadaan elektronik dalam suatu pita menjadi terbatas dan sama dengan jumlah keadaan atom yang bersesuaian. Jumlah elektron yang mengisi pita energi tertentu juga terbatas. Seperti tingkat energi atom yang terisolasi, zona energi kristal dapat terisi penuh, terisi sebagian, dan bebas (kosong). Kulit elektron internal pada atom terisolasi terisi, sehingga pita yang sesuai (yang lebih rendah) juga terisi penuh.

Zona terisi paling atas disebut valensi– zona ini sesuai dengan tingkat energi elektron valensi kulit terluar atom yang terisolasi. Zona bebas yang paling dekat dengannya, yang tidak terisi elektron, disebut zona daya konduksi. Posisi relatif zona-zona ini menentukan sebagian besar proses yang terjadi pada benda padat.

Dengan menggunakan persamaan Schrödinger - persamaan dasar dinamika dalam mekanika kuantum non-relativistik - pada prinsipnya seseorang dapat mempertimbangkan masalah kristal, misalnya, menemukan kemungkinan nilai energinya, serta keadaan energi yang sesuai. Namun, baik dalam mekanika klasik maupun kuantum, tidak ada metode yang dapat memecahkan masalah dinamis untuk sistem banyak partikel secara akurat. Oleh karena itu, masalah ini diselesaikan kira-kira dengan mereduksi masalah banyak partikel menjadi masalah satu elektron - masalah satu elektron yang bergerak dalam medan luar tertentu. Jalur serupa mengarah pada teori pita padatan. Kita asumsikan bahwa inti-inti pada titik-titik kisi kristal tidak bergerak, dan pergerakan elektron dianggap dalam medan periodik inti yang konstan. Mari kita perhatikan secara mental proses pembentukan benda padat dari atom-atom yang terisolasi. Diketahui bahwa elektron, yang berada di dalam atom, memiliki nilai energi diskrit. Atom-atom terisolasi yang terletak pada jarak makroskopis satu sama lain memiliki pola tingkat energi yang cocok. Saat zat “dikompres” menjadi kisi kristal, mis. Ketika jarak antar atom sama dengan jarak antar atom dalam zat padat, interaksi antar atom menyebabkan tingkat energi atom bergeser, terpecah, dan meluas menjadi zona-zona. Tingkat energi pita yang disebut terbentuk (Gbr. 12). Hanya tingkat elektron valensi terluar, yang terikat paling lemah pada inti dan memiliki energi tertinggi, serta tingkat tertinggi, yang pada keadaan dasar atom tidak ditempati oleh elektron sama sekali, yang terlihat terpecah dan mengembang. . Tingkat elektron internal sedikit dipengaruhi oleh hal ini. Jadi, dalam padatan, elektron internal berperilaku dengan cara yang sama seperti pada atom terisolasi, elektron eksternal

Elektron (valensi) “dikumpulkan” - mereka termasuk dalam seluruh benda padat.

Pembentukan spektrum energi pita dalam kristal merupakan efek mekanika kuantum dan berasal dari keadaan ketidakpastian. Karena transisi elektron terluar atom dalam kristal melalui penghalang potensial, umur rata-rata g elektron valensi adalah c. untuk atom tertentu, dibandingkan dengan atom terisolasi, berkurang secara signifikan dan kira-kira 10 -15 detik (untuk atom terisolasi - = 10 -8 detik). Masa hidup sebuah elektron dalam keadaan apa pun berhubungan dengan ketidakpastian energinya (lebar level) dengan hubungan ketidakpastian = . Oleh karena itu, jika lebar alami garis spektral kira-kira 10 -7 eV, maka dalam kristal = 1 · 10 eV, yaitu. Tingkat energi elektron valensi meluas ke zona nilai energi yang diizinkan.

Energi elektron terluar dapat mengambil nilai dalam pita energi yang diperbolehkan. Setiap zona yang diizinkan “berisi” level diskrit terdekat sebanyak jumlah atom dalam kristal. Jarak antara tingkat energi yang berdekatan dalam suatu zona kira-kira 10 -22 eV. Karena ukurannya yang sangat kecil, pita-pita tersebut secara praktis dapat dianggap kontinu, namun fakta bahwa jumlah tingkat yang terbatas dalam pita tersebut memainkan peranan penting dalam menentukan sifat distribusi elektron di antara keadaan-keadaan. Zona energi yang diizinkan dipisahkan oleh zona dengan nilai energi terlarang, yang disebut zona energi terlarang . Elektron tidak bisa berada di zona terlarang. Lebar zona tidak bergantung pada ukuran kristal. Semakin lemah hubungan antara elektron valensi dan inti, semakin lebar pita yang diperbolehkan. Jadi, secara umum, tiga zona terbentuk pada benda padat (Gbr. 13). Pita valensi terisi penuh dengan elektron dan terbentuk dari tingkat energi elektron pada kulit bagian dalam atom bebas. Zona konduksi (zona bebas) sebagian terisi oleh elektron, atau bebas dan terbentuk dari tingkat energi elektron “kolektivisasi” terluar dari atom yang terisolasi.

Pada logam, zona ini sebagian terisi elektron atau tumpang tindih, dan distribusi energi elektron mengikuti statistik Fermi-Dirac. Transisi intraband sangat mungkin terjadi, karena, misalnya, pada 1 KE energi gerak termal CT = 10 -4 eV, yaitu ada perbedaan energi yang jauh lebih besar antara level pita yang berdekatan (10 -22 eV).

Jika kristal mengandung satu pita terisi penuh (valensi) dan satu pita bebas (konduktivitas), maka zat ini akan menjadi semikonduktor atau dielektrik, bergantung pada celah pita 0.

Perbedaan antara logam Dan dielektrik dari sudut pandang teori pita, dengan OK terdapat elektron pada pita konduksi logam, tetapi elektron tersebut tidak ada pada pita konduksi dielektrik. Perbedaan antara dielektrik dan semikonduktor ditentukan oleh celah pita: untuk dielektrik cukup lebar (1 10) eV (misalnya, untuk NaCl 0 = 6 eV), untuk semikonduktor - 0 1 eV yang cukup sempit (misalnya, untuk germanium 0 = 0,72 eV). Pada suhu mendekati OK, semikonduktor berperilaku seperti dielektrik, yaitu. Tidak ada transfer elektron ke pita konduksi.

Konduktivitas semikonduktor, dari sudut pandang teori pita, dijelaskan oleh fakta bahwa energi tambahan yang diperlukan untuk mengatasi celah pita diberikan kepada elektron karena faktor eksternal. Elektron yang masuk ke pita konduksi meningkatkan konduktivitas listrik semikonduktor dan membiarkannya masuk

Pada pita valensi terdapat ruang bebas yang disebut lubang. Dalam medan listrik eksternal, elektron dari tingkat energi tetangganya pada pita valensi dapat berpindah ke dalam lubang dan meninggalkan ruang kosong sebagai gantinya - sebuah lubang. Lubang bergerak ke arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron, yaitu. berperilaku dalam medan listrik seperti muatan positif.

Jadi, di bawah pengaruh eksternal, semikonduktor secara bersamaan memperoleh dua jenis konduktivitas - elektronik dan lubang.

Sebagai contoh yang menunjukkan peran semikonduktor dalam kehidupan modern, kita dapat mengutip fakta bahwa semikonduktor (penguat kristal) - transistor, telah menggantikan tabung vakum. Tidak ada elektroda yang jelas dalam transistor (seperti pada lampu); sebaliknya, ada area mikroskopis dari kristal tunggal di mana mikrodosis pengotor tertentu dimasukkan. Selain itu, dengan pengotor dalam dosis mikro, dimungkinkan untuk membuat dalam kristal tidak hanya struktur penguat (transistor), tetapi juga "bagian" lainnya - resistor, kapasitor, saluran penghubung. Sekitar 10 tahun setelah diperkenalkannya transistor pertama, sirkuit terpadu (IC) pertama diciptakan pada tahun 1959, terdiri dari empat (bilangan bulat - keseluruhan) transistor - pemicu. Kemudian beberapa sirkuit mikro digabungkan menjadi satu dan unit pemrosesan informasi universal dibuat, yang disebut mikroprosesor.

Saat ini, IC telah berubah menjadi mahakarya seperti mikroprosesor Pentium-Pro - kristal datar seukuran prangko kecil, tempat rakitan elektronik yang sangat kompleks terbentuk - dari lima juta transistor. Mikroprosesor tidak hanya berkembang pesat, tetapi juga menjadi lebih mudah diakses, mengambil alih sejumlah besar perhitungan, kontrol, manajemen, grafis dan karya intelektual lainnya, yang menegaskan reputasi mereka sebagai pencapaian terbesar peradaban.