Salah satu sifat utama sambungan p‑n adalah kemampuannya melewatkan arus listrik dalam satu arah (maju) ribuan dan jutaan kali lebih baik daripada dalam arah sebaliknya.
Semikonduktor adalah golongan zat yang menempati posisi perantara antara zat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik (konduktor, terutama logam) dan zat yang praktis tidak dapat menghantarkan arus listrik (isolator atau dielektrik).
Semikonduktor dicirikan oleh ketergantungan yang kuat antara sifat dan karakteristiknya pada jumlah mikroskopis pengotor yang dikandungnya. Dengan mengubah jumlah pengotor dalam semikonduktor dari sepersejuta persen menjadi 0,1–1%, Anda dapat mengubah konduktivitasnya jutaan kali lipat. Sifat penting lainnya dari semikonduktor adalah bahwa arus listrik dibawa ke dalamnya tidak hanya oleh muatan negatif - elektron, tetapi juga oleh muatan positif yang besarnya sama - lubang.
Jika kita mempertimbangkan kristal semikonduktor yang diidealkan, benar-benar bebas dari pengotor apa pun, maka kemampuannya untuk menghantarkan arus listrik akan ditentukan oleh apa yang disebut konduktivitas listrik intrinsik.
Atom-atom dalam kristal semikonduktor dihubungkan satu sama lain menggunakan elektron pada kulit elektron terluar. Selama getaran termal atom, energi panas didistribusikan secara tidak merata di antara elektron-elektron yang membentuk ikatan. Elektron individu dapat menerima energi panas yang cukup untuk “melepaskan diri” dari atomnya dan dapat bergerak bebas di dalam kristal, yaitu menjadi pembawa arus potensial (dengan kata lain, mereka berpindah ke pita konduksi). Keberangkatan elektron seperti itu melanggar netralitas listrik atom; ia memperoleh muatan positif yang besarnya sama dengan muatan elektron yang dilepaskan. Ruang kosong ini disebut lubang.
Karena tempat yang kosong dapat ditempati oleh elektron dari ikatan tetangga, lubang juga dapat bergerak di dalam kristal dan menjadi pembawa arus positif. Secara alami, dalam kondisi ini, elektron dan lubang muncul dalam jumlah yang sama, dan konduktivitas listrik kristal ideal tersebut akan ditentukan secara merata oleh muatan positif dan negatif.
Jika sebagai ganti atom semikonduktor utama kita menempatkan atom pengotor, yang kulit elektron terluarnya mengandung satu elektron lebih banyak daripada atom semikonduktor utama, maka elektron tersebut akan menjadi berlebihan, tidak diperlukan untuk pembentukan. ikatan antar atom dalam kristal dan terikat lemah dengan atomnya. Energi puluhan kali lebih sedikit sudah cukup untuk melepaskannya dari atomnya dan mengubahnya menjadi elektron bebas. Pengotor semacam itu disebut donor, yaitu menyumbangkan elektron “ekstra”. Atom pengotor tentu saja bermuatan positif, tetapi tidak ada lubang yang muncul, karena lubang hanya dapat berupa kekosongan elektron dalam ikatan antar atom yang tidak terisi, dan dalam hal ini semua ikatan terisi. Muatan positif ini tetap terikat dengan atomnya, tidak bergerak sehingga tidak dapat mengambil bagian dalam proses konduksi listrik.
Masuknya pengotor ke dalam semikonduktor, yang kulit elektron terluarnya mengandung lebih sedikit elektron daripada atom zat utama, menyebabkan munculnya ikatan tak terisi, yaitu lubang. Seperti disebutkan di atas, kekosongan ini dapat ditempati oleh elektron dari ikatan tetangga, dan lubang dapat bergerak bebas ke seluruh kristal. Dengan kata lain, pergerakan lubang adalah transisi elektron secara berurutan dari satu ikatan tetangga ke ikatan lainnya. Pengotor yang “menerima” elektron disebut pengotor akseptor.
Jika tegangan (seperti yang ditunjukkan pada gambar polaritas) diterapkan pada struktur semikonduktor logam-dielektrik tipe-n, maka medan listrik muncul di lapisan dekat permukaan semikonduktor, yang menolak elektron. Lapisan ini ternyata sudah habis.
Dalam semikonduktor tipe-p, di mana pembawa mayoritas adalah muatan positif - lubang, polaritas tegangan yang menolak elektron akan menarik lubang dan menciptakan lapisan yang diperkaya dengan resistansi yang berkurang. Perubahan polaritas dalam hal ini akan menyebabkan tolakan lubang dan pembentukan lapisan dekat permukaan dengan peningkatan resistensi.
Dengan peningkatan jumlah pengotor dari satu jenis atau lainnya, konduktivitas listrik kristal mulai memperoleh karakter elektronik atau lubang yang semakin jelas. Sesuai dengan huruf pertama dari kata Latin negativus dan positivus, konduktivitas listrik elektronik disebut konduktivitas listrik tipe-n, dan konduktivitas lubang - tipe-p, yang menunjukkan jenis pembawa muatan bergerak mana untuk semikonduktor tertentu yang utama dan mana. adalah yang kecil.
Dengan konduktivitas listrik karena adanya pengotor (yaitu pengotor), masih ada 2 jenis pembawa yang tersisa dalam kristal: pembawa utama, yang muncul terutama karena masuknya pengotor ke dalam semikonduktor, dan pembawa minoritas, yang mana penampilan mereka disebabkan oleh eksitasi termal. Kandungan elektron n dan lubang p dalam 1 cm 3 (konsentrasi) untuk semikonduktor tertentu pada suhu tertentu adalah nilai konstan: n − p = konstanta. Artinya, dengan meningkatkan konsentrasi pembawa jenis tertentu beberapa kali karena masuknya pengotor, kita mengurangi konsentrasi pembawa jenis lain dengan jumlah yang sama. Sifat penting semikonduktor berikutnya adalah sensitivitasnya yang kuat terhadap suhu dan radiasi. Ketika suhu naik, energi getaran rata-rata atom-atom dalam kristal meningkat, dan semakin banyak ikatan yang putus. Pasangan elektron dan lubang akan semakin banyak. Pada suhu yang cukup tinggi, konduktivitas intrinsik (termal) dapat sama dengan konduktivitas pengotor atau bahkan melebihinya secara signifikan. Semakin tinggi konsentrasi pengotor, semakin tinggi suhu efek ini akan terjadi.
Ikatan juga dapat diputus dengan menyinari semikonduktor, misalnya dengan cahaya, jika energi kuanta cahaya cukup untuk memutus ikatan. Energi pemutusan ikatan berbeda untuk semikonduktor yang berbeda, sehingga bereaksi berbeda terhadap bagian tertentu dari spektrum iradiasi.
Kristal silikon dan germanium digunakan sebagai bahan semikonduktor utama, dan boron, fosfor, indium, arsenik, antimon, dan banyak elemen lain yang memberikan sifat yang diperlukan pada semikonduktor digunakan sebagai pengotor. Produksi kristal semikonduktor dengan kandungan pengotor tertentu adalah proses teknologi yang kompleks, dilakukan dalam kondisi bersih menggunakan peralatan dengan presisi dan kompleksitas tinggi.
Semua sifat semikonduktor terpenting yang tercantum digunakan untuk membuat perangkat semikonduktor yang sangat beragam tujuan dan bidang penerapannya. Dioda, transistor, thyristor dan banyak perangkat semikonduktor lainnya banyak digunakan dalam teknologi. Penggunaan semikonduktor dimulai relatif baru-baru ini, dan saat ini sulit untuk membuat daftar semua “profesi” mereka. Mereka mengubah energi cahaya dan panas menjadi energi listrik dan, sebaliknya, menghasilkan panas dan dingin dengan menggunakan listrik (lihat Energi surya). Perangkat semikonduktor dapat ditemukan di penerima radio konvensional dan generator kuantum - laser, di baterai atom kecil, dan di unit miniatur komputer elektronik. Insinyur saat ini tidak dapat hidup tanpa penyearah, sakelar, dan amplifier semikonduktor. Mengganti peralatan tabung dengan peralatan semikonduktor telah memungkinkan pengurangan ukuran dan berat perangkat elektronik sepuluh kali lipat, mengurangi konsumsi daya, dan meningkatkan keandalan secara signifikan.
Anda dapat membacanya di artikel Mikroelektronika.
Sifat-sifat semikonduktor - sifat amber, setelah digosok dengan wol, untuk menarik benda-benda kecil ke dirinya sendiri, telah diketahui sejak lama. Tetapi fenomena kelistrikan, yang tidak stabil dan bersifat sementara, untuk waktu yang lama berada di bawah bayang-bayang fenomena magnetis, yang lebih stabil dalam waktu.
Pada abad ke-17 dan ke-18, eksperimen kelistrikan tersedia secara luas dan sejumlah penemuan baru dibuat. Pada tahun 1729, orang Inggris Stephen Gray menemukan bahwa semua zat dibagi menjadi 2 kelas: isolator yang tidak dapat membawa muatan listrik (disebut “benda listrik” karena dapat dialiri arus listrik melalui gesekan), dan konduktor yang mampu membawa muatan (disebut “benda non-listrik”). -badan listrik”).
Ide-ide modern tentang sifat listrik suatu zat
Dengan berkembangnya gagasan lebih lanjut, sifat-sifat zat untuk menghantarkan arus listrik mulai dikarakterisasi secara kuantitatif - dengan nilai konduktivitas listrik spesifik, diukur dalam siemens per meter (S/m). Pada suhu kamar, konduktivitas konduktor berada pada kisaran 10 6 hingga 10 8 S/m, dan untuk dielektrik (isolator) kurang dari 10 -8 S/m.
Zat yang menempati posisi perantara dalam konduktivitas secara logis disebut semikonduktor atau semiisolator. Nama depan telah ditetapkan secara historis. Konduktivitas semikonduktor terletak pada kisaran 10 -8 hingga 10 6 S/m. Tidak ada batasan tegas antara ketiga jenis zat ini. Perbedaan kualitatif ditentukan oleh perbedaan sifat kuantitatif.
Dari ilmu fisika diketahui bahwa elektron dalam benda padat tidak dapat mempunyai energi yang berubah-ubah; energi ini hanya dapat mempunyai nilai tertentu, yang disebut tingkat energi. Semakin dekat elektron suatu atom dengan inti atom, semakin rendah energinya. Elektron yang jauh mempunyai energi paling tinggi. Hanya elektron pada kulit terluar atom (elektron yang disebut pita valensi) yang berpartisipasi dalam proses listrik dan kimia.
Elektron dengan energi lebih tinggi dari elektron pita valensi diklasifikasikan sebagai elektron pita konduksi. Elektron-elektron ini tidak terikat dengan atom-atom individual, dan mereka bergerak secara acak di dalam tubuh untuk memungkinkan konduksi.
Atom-atom suatu zat yang telah menyumbangkan elektron ke pita konduksi dianggap sebagai ion bermuatan positif; atom-atom tersebut tidak bergerak dan membentuk kisi kristal zat di mana elektron konduksi bergerak. Dalam konduktor (logam), pita konduksi berdekatan dengan pita valensi, dan setiap atom logam tanpa gangguan melepaskan satu atau lebih elektron ke pita konduksi, yang memberikan sifat konduktivitas listrik pada logam.
Sifat-sifat semikonduktor ditentukan oleh celah pita
Dalam semikonduktor dan dielektrik, terdapat apa yang disebut antara pita valensi dan pita konduksi. daerah terlarang. Elektron tidak dapat memiliki energi yang sesuai dengan energi tingkat zona ini. Pembagian zat menjadi dielektrik dan semikonduktor dilakukan tergantung pada lebar celah pita. Dengan celah pita beberapa elektron volt (eV), elektron pita valensi memiliki peluang kecil untuk memasuki pita konduksi, sehingga zat tersebut tidak bersifat konduksi. Jadi, berlian memiliki celah pita sebesar 5,6 eV. Namun, dengan meningkatnya suhu, elektron pada pita valensi meningkatkan energinya, dan beberapa di antaranya memasuki pita konduksi, sehingga memperburuk sifat isolasi dielektrik.
Jika celah pita berada pada urutan satu elektron volt, zat tersebut memperoleh konduktivitas yang nyata pada suhu kamar, dan menjadi lebih konduktif dengan meningkatnya suhu. Kami mengklasifikasikan zat tersebut sebagai semikonduktor, dan sifat semikonduktor ditentukan oleh celah pita.
Pada suhu kamar, celah pita semikonduktor kurang dari 2,5-3 eV. Misalnya, celah pita germanium adalah 0,72 eV, dan silikon adalah 1,12 eV. Semikonduktor celah pita lebar mencakup semikonduktor dengan celah pita lebih besar dari 2 eV. Biasanya, semakin tinggi celah pita suatu semikonduktor, semakin tinggi pula titik lelehnya. Jadi, germanium memiliki titik leleh 936 °C, dan silikon memiliki titik leleh 1414 °C.
Dua jenis konduktivitas semikonduktor - elektron dan lubang
Pada suhu nol mutlak (-273 °C), dalam semikonduktor murni (semikonduktor intrinsik, atau semikonduktor Saya-tipe) semua elektron ditemukan dalam atom, dan semikonduktor adalah isolator. Ketika suhu meningkat, beberapa elektron pada pita valensi memasuki pita konduksi, dan terjadi konduksi elektronik. Namun ketika sebuah atom kehilangan elektron, ia menjadi bermuatan positif.
Sebuah atom yang menempati suatu tempat dalam kisi kristal tidak dapat bergerak di bawah pengaruh medan listrik, tetapi ia mampu menarik elektron dari atom tetangganya, mengisi “lubang” pada pita valensinya. Atom yang kehilangan elektron pada gilirannya juga akan mencari peluang untuk mengisi “lubang” yang terbentuk di kulit terluar. Sebuah lubang memiliki semua sifat muatan positif, dan kita dapat berasumsi bahwa dalam semikonduktor terdapat 2 jenis pembawa - elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif.
Elektron konduksi dapat menempati tempat bebas pada pita valensi, mis. menyatu dengan lubang. Proses ini disebut rekombinasi, dan karena pembangkitan dan rekombinasi pembawa terjadi secara bersamaan, pada suhu tertentu jumlah pasangan pembawa berada dalam keadaan kesetimbangan dinamis - jumlah pasangan yang dihasilkan dibandingkan dengan jumlah pasangan yang bergabung kembali.
Konduktivitas intrinsik semikonduktor Saya-tipe terdiri dari konduktivitas elektronik dan lubang, dengan konduktivitas elektronik yang mendominasi, karena elektron lebih mudah bergerak daripada lubang. Konduktivitas listrik spesifik suatu logam atau semikonduktor bergantung pada jumlah pembawa muatan dalam 1 meter kubik. cm, atau pada konsentrasi elektron dan lubang.
Jika jumlah atom dalam 1 kubik cm suatu zat berorde 10 22, maka pada suhu kamar dalam logam jumlah elektron konduksi tidak kurang dari jumlah atom, yaitu. juga berorde 10 22, sedangkan pada germanium murni konsentrasi pembawa muatan sekitar 10 13 cm -3, dan pada silikon 10 10 cm -3, yang jauh lebih kecil dibandingkan logam, itulah sebabnya konduktivitasnya semikonduktor jutaan dan milyaran kali lebih buruk dibandingkan logam.
Ini semua tentang ketidakmurnian
Ketika tegangan diterapkan pada semikonduktor, medan listrik yang timbul di dalamnya mempercepat elektron dan lubang, pergerakannya menjadi teratur, dan timbul arus listrik – arus konduksi. Selain konduktivitas intrinsik, pada semikonduktor juga terdapat konduktivitas pengotor, yang sesuai dengan namanya, disebabkan oleh adanya pengotor pada semikonduktor.
Jika sejumlah kecil antimon bervalensi 5, arsenik atau fosfor ditambahkan ke germanium bervalensi 4, atom pengotor akan menggunakan 4 elektron untuk berikatan dengan atom germanium, dan elektron kelima akan berada pada pita konduksi, yang secara dramatis meningkatkan konduktivitas. dari semikonduktor. Pengotor tersebut, atom-atomnya menyumbangkan elektron, disebut donor. Karena konduktivitas elektronik mendominasi semikonduktor tersebut, mereka disebut semikonduktor N-type (dari kata bahasa Inggris negatif- negatif). Agar semua atom donor dapat menyumbangkan elektron ke pita konduksi, pita energi atom donor harus ditempatkan sedekat mungkin dengan pita konduksi semikonduktor, sedikit di bawahnya.
Ketika pengotor boron, indium, atau aluminium bervalensi 3 ditambahkan ke germanium bervalensi 4, atom pengotor mengambil elektron dari atom germanium, dan germanium memperoleh konduktivitas lubang dan menjadi semikonduktor P-type (dari kata bahasa Inggris positif– positif). Kotoran yang menghasilkan konduktivitas lubang disebut akseptor.
Agar akseptor dapat dengan mudah menangkap elektron, tingkat energi atom akseptor harus berdekatan dengan tingkat pita valensi semikonduktor yang terletak tepat di atasnya.
Konduktivitas pengotor biasanya jauh melebihi konduktivitas intrinsik, karena konsentrasi atom donor atau akseptor secara signifikan melebihi konsentrasi pembawa intrinsik. Sangat sulit untuk mendapatkan semikonduktor dengan jumlah pengotor yang dibatasi secara ketat, dan semikonduktor awal juga harus sangat murni. Jadi, untuk germanium, tidak boleh lebih dari satu atom pengotor asing (yaitu, baik donor maupun akseptor) per 10 miliar atom germanium, dan untuk silikon, persyaratan kemurniannya bahkan 1000 kali lebih tinggi.
Transisi logam-semikonduktor
Pada perangkat semikonduktor, ada kebutuhan untuk menggunakan kontak semikonduktor-logam. Suatu zat (logam atau semikonduktor) dicirikan oleh energi yang dibutuhkan elektron untuk meninggalkan zat tersebut - fungsi kerja. Mari kita nyatakan fungsi kerja dari logam sebagai A m, dan dari semikonduktor sebagai A p.
Kontak ohmik
Jika perlu untuk membuat kontak ohmik (yaitu, non-penyearah, ketika resistansi kontak rendah pada polaritas tegangan yang diberikan), cukup untuk memastikan kontak logam dengan semikonduktor dalam kondisi berikut:
- Bersentuhan dengan n-semikonduktor: A m< A п;
- Bersentuhan dengan semikonduktor p: A m > A p .
Sifat semikonduktor ini dijelaskan oleh fakta bahwa sebagian besar pembawa terakumulasi di lapisan batas semikonduktor, sehingga resistansinya rendah. Akumulasi pembawa mayoritas disebabkan oleh fakta bahwa elektron selalu berpindah dari zat dengan fungsi kerja lebih rendah ke zat dengan fungsi kerja lebih tinggi.
Kontak penyearah
Namun jika dengan semikonduktor N-tipe ada logam yang bersentuhan dengan A m > A p, maka elektron akan berpindah dari semikonduktor ke logam, dan suatu daerah yang kehabisan pembawa mayoritas dan memiliki konduktivitas rendah terbentuk di lapisan batas. Untuk mengatasi penghalang yang dibuat, tegangan dengan polaritas tertentu dan besaran yang cukup harus diterapkan pada kontak. Ketika polaritas terbalik diterapkan, konduktivitas kontak akan semakin menurun - kontak tersebut memiliki sifat penyearah. Sangat mudah untuk melihat bahwa kontak logam-semikonduktor memiliki sifat yang mirip dengan semikonduktor. P-ketik di A m< A п.
Sejarah Detektor Semikonduktor
Sifat serupa dari semikonduktor logam-semikonduktor ditemukan oleh fisikawan Jerman Ferdinand Braun pada tahun 1874. Dioda logam-semikonduktor paling awal muncul sekitar tahun 1900, ketika penerima radio mulai menggunakan detektor yang terdiri dari kawat tungsten yang ditekan pada permukaan kristal galena (timbal sulfida). Amatir radio membuat detektor sendiri dengan menggabungkan timbal dan belerang.
Pada tahun 1906, ilmuwan Perancis G. Picard merancang detektor dari kristal silikon dan pegas kontak spiral dengan ujung, dan menerima paten untuk itu. Perangkat elektronik berdasarkan kontak logam-semikonduktor disebut dioda Schottky setelah fisikawan Jerman Walter Schottky yang mempelajari kontak tersebut.
Pada tahun 1926, elemen penyearah cuprox yang kuat muncul, terdiri dari pelat tembaga yang dilapisi lapisan oksida tembaga, yang banyak digunakan pada unit daya.
Transisi lubang elektron
Transisi lubang elektron, atau np-persimpangan adalah area di perbatasan dua semikonduktor dengan jenis konduktivitas berbeda, dan pengoperasian perangkat semikonduktor didasarkan pada penggunaan properti transisi tersebut. Dengan tidak adanya tegangan yang diterapkan pada persimpangan, pembawa muatan berpindah dari area dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah—keluar dari semikonduktor. N-tipe semikonduktor P elektron tipe-bergerak, dan lubang bergerak ke arah yang berlawanan.
Akibat pergerakan ini, daerah dengan muatan ruang muncul di kedua sisi antarmuka, dan timbul perbedaan potensial kontak antara daerah tersebut. Perbedaan potensial ini membentuk penghalang potensial, yang mencegah pembawa lebih lanjut melewati penghalang tersebut. Ketinggian penghalang (beda potensial kontak) tergantung pada konsentrasi pengotor, dan untuk germanium biasanya 0,3-0,4 V, mencapai 0,7 V. Dalam kondisi stabil, tidak ada arus yang melalui persimpangan, karena hal- sambungan tersebut memiliki resistansi yang tinggi dibandingkan dengan area semikonduktor lainnya, dan lapisan yang dihasilkan disebut lapisan pemblokiran.
Jika untuk np-terapkan tegangan eksternal ke sambungan, kemudian bergantung pada polaritasnya, sambungan akan berperilaku berbeda.
Arus searah mengalir melalui persimpangan
Jika ke semikonduktor P-tipe, terapkan “plus” dari sumber tegangan, kemudian medan yang diciptakan oleh sumber bertindak berlawanan dengan bidang beda potensial kontak, total medan berkurang, tinggi penghalang potensial berkurang, dan jumlah pembawa lebih banyak mengatasinya. Arus yang disebut arus searah mulai mengalir melalui persimpangan. Pada saat yang sama, ketebalan lapisan pelindung dan hambatan listriknya menurun.
Untuk menghasilkan arus maju yang signifikan, cukup memberikan tegangan pada sambungan yang sebanding dengan tinggi penghalang jika tidak ada tegangan yang diberikan, yaitu. sepersepuluh volt, dan pada tegangan yang lebih tinggi lagi, resistansi lapisan penghalang akan mendekati nol.
Arus balik mengalir melalui persimpangan
Jika tegangan eksternal “terbalik”, mis. lampirkan ke P-sumber tegangan “minus” semikonduktor, medan tegangan eksternal akan dijumlahkan hingga bidang beda potensial kontak. Ketinggian penghalang potensial meningkat, yang akan menghambat difusi pembawa mayoritas melalui persimpangan, dan arus melalui persimpangan, yang disebut "terbalik", akan menjadi kecil. Lapisan penghalang menjadi lebih tebal dan hambatan listriknya meningkat.
Sifat penyearah sambungan lubang elektron digunakan dalam dioda dengan berbagai kekuatan dan tujuan - untuk menyearahkan arus bolak-balik pada catu daya dan sinyal lemah pada perangkat untuk berbagai keperluan.
Aplikasi lain dari sifat semikonduktor
Persimpangan lubang elektron di bawah tegangan balik berperilaku serupa dengan kapasitor listrik bermuatan dengan kapasitas beberapa hingga ratusan pikofarad. Kapasitansi ini bergantung pada tegangan yang diterapkan pada sambungan, yang memungkinkan beberapa jenis perangkat semikonduktor digunakan sebagai kapasitor variabel yang dikendalikan oleh tegangan yang diberikan.
Properti np-transisi juga sangat bergantung pada suhu medium, yang memungkinkan penggunaan jenis perangkat semikonduktor tertentu sebagai sensor suhu. Perangkat dengan tiga wilayah konduktivitas berbeda, misalnya n-p-n, memungkinkan Anda membuat perangkat yang memiliki sifat memperkuat sinyal listrik, serta menghasilkannya.
Tambahkan situs ke bookmark
Apa sifat dasar semikonduktor?
Dalam hal hambatan listrik, semikonduktor menempati posisi perantara antara konduktor dan isolator. Dioda dan trioda semikonduktor memiliki sejumlah keunggulan: bobot dan ukuran yang rendah, masa pakai yang jauh lebih lama, dan kekuatan mekanik yang lebih besar.
Mari kita perhatikan sifat dasar dan karakteristik semikonduktor. Dilihat dari daya hantar listriknya, semikonduktor dibedakan menjadi 2 jenis yaitu daya hantar elektron dan daya hantar lubang.
Semikonduktor dengan konduktivitas elektronik memiliki apa yang disebut elektron bebas, yang terikat lemah pada inti atom.
Semikonduktor dengan konduktivitas lubang disebut semikonduktor tipe-p (dari kata positif). Aliran arus listrik pada semikonduktor jenis ini dapat dianggap sebagai pergerakan muatan positif. Dalam semikonduktor dengan konduktivitas p tidak ada elektron bebas; Jika sebuah atom semikonduktor kehilangan 1 elektron karena pengaruh suatu alasan, maka atom tersebut akan bermuatan positif.
Tidak adanya satu elektron dalam suatu atom sehingga menimbulkan muatan positif pada atom semikonduktor disebut lubang (artinya telah terbentuk ruang bebas di dalam atom). Teori dan pengalaman menunjukkan bahwa lubang berperilaku seperti muatan positif dasar.
Konduktivitas lubang terdiri dari fakta bahwa, di bawah pengaruh beda potensial yang diterapkan, lubang bergerak, yang setara dengan pergerakan muatan positif.
Pada kenyataannya, hal berikut terjadi selama konduksi lubang. Misalkan ada 2 atom, salah satunya dilengkapi dengan lubang (satu elektron hilang di orbit terluar), dan yang lainnya, terletak di sebelah kanan, memiliki semua elektron di tempatnya (sebut saja atom netral) . Jika beda potensial diterapkan pada semikonduktor, maka, di bawah pengaruh medan listrik, elektron dari atom netral, yang semua elektron pada tempatnya, akan berpindah ke kiri menuju atom yang dilengkapi lubang.
Oleh karena itu, atom yang memiliki lubang menjadi netral, dan lubang tersebut berpindah ke kanan menuju atom yang meninggalkan elektron. Dalam perangkat semikonduktor, proses “mengisi” lubang dengan elektron bebas disebut rekombinasi. Sebagai hasil dari rekombinasi, elektron bebas dan lubang menghilang, dan atom netral tercipta. Jadi pergerakan lubang terjadi dalam arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron.
Dalam semikonduktor (intrinsik) yang benar-benar murni, di bawah pengaruh panas atau cahaya, elektron dan lubang dilahirkan berpasangan, sehingga jumlah elektron dan lubang dalam semikonduktor intrinsik adalah sama.
Untuk membuat semikonduktor dengan konsentrasi elektron atau lubang yang nyata, semikonduktor murni disuplai dengan pengotor, membentuk semikonduktor pengotor. Pengotor dapat menjadi donor, pemberi elektron, dan akseptor, membentuk lubang (yaitu, merobek elektron dari atom). Akibatnya, dalam semikonduktor dengan pengotor donor, konduktivitasnya akan didominasi elektronik, atau konduktivitas n. Dalam semikonduktor ini, pembawa muatan mayoritas adalah elektron dan pembawa muatan minoritas adalah hole. Sebaliknya, dalam semikonduktor dengan pengotor akseptor, pembawa muatan mayoritas adalah hole, dan pembawa muatan minoritas adalah elektron; Ini adalah semikonduktor dengan konduktivitas p.
Bahan utama pembuatan dioda dan trioda semikonduktor adalah germanium dan silikon; sehubungan dengan mereka, donornya adalah antimon, fosfor, arsenik; akseptor - indium, galium, aluminium, boron.
Gambar 1. Letak muatan listrik pada semikonduktor.
Pengotor, yang biasanya ditambahkan ke semikonduktor kristal, secara dramatis mengubah pola fisik aliran arus listrik.
Ketika semikonduktor dengan konduktivitas n terbentuk, pengotor donor ditambahkan ke semikonduktor: misalnya, pengotor antimon ditambahkan ke semikonduktor germanium. Atom antimon, yang merupakan donor, memberikan banyak elektron bebas ke germanium, sehingga menjadi bermuatan positif.
Jadi, dalam semikonduktor dengan konduktivitas n yang dibentuk oleh pengotor, terdapat jenis muatan listrik berikut:
- muatan negatif bergerak (elektron), yang merupakan pembawa utama (baik dari pengotor donor maupun dari konduktivitasnya sendiri);
- muatan positif bergerak (lubang) - pembawa minoritas yang timbul dari konduktivitasnya sendiri;
- muatan positif yang tidak bergerak - ion pengotor donor.
Ketika semikonduktor dengan konduktivitas p terbentuk, pengotor akseptor ditambahkan ke semikonduktor: misalnya, pengotor indium ditambahkan ke semikonduktor germanium. Atom indium yang merupakan akseptor melepaskan elektron dari atom germanium sehingga membentuk lubang. Atom indium sendiri menjadi bermuatan negatif.
Akibatnya, dalam semikonduktor dengan konduktivitas p terdapat jenis muatan listrik berikut:
- muatan positif bergerak (lubang) - pembawa utama yang timbul dari pengotor akseptor dan dari konduksinya sendiri;
- muatan negatif bergerak (elektron) - pembawa minoritas yang timbul dari konduktivitasnya sendiri;
- muatan negatif yang tidak bergerak - ion pengotor akseptor.
Pada Gambar. Gambar 1 menunjukkan pelat p-germanium (a) dan n-germanium (b) dengan susunan muatan listrik.
Semikonduktor mendapatkan namanya karena menempati posisi perantara antara konduktor (logam, elektrolit, batu bara), yang memiliki daya hantar listrik tinggi, dan isolator (porselen, mika, karet, dan lain-lain), yang hampir tidak menghantarkan arus listrik.
Jika kita membandingkan resistansi volume spesifik dalam Ohm × cm untuk berbagai zat, ternyata konduktornya memiliki: ρ kamu= 10 -6 - 10 -3 Ohm × cm; resistivitas semikonduktor: ρ kamu= 10 -3 - 10 8 Ohm × cm; dan untuk dielektrik: ρ kamu= 10 8 - 10 20 Ohm × cm. Semikonduktor meliputi: oksida logam - oksida (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); senyawa belerang - sulfida (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); senyawa dengan selenium - selenida; senyawa dengan telurium - telurida; beberapa paduan (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); unsur kimia - germanium, silikon, telurium, selenium, boron, karbon, belerang, fosfor, arsenik, serta sejumlah besar senyawa kompleks (galena, karborundum, dan lainnya).
Gambar 1. Germanium
Gambar 2. Silikon
Gambar 3. Telurium
Studi lengkap dan ekstensif tentang sifat-sifat semikonduktor dilakukan oleh ilmuwan Soviet A.F. Ioffe dan rekan-rekannya.
Sifat kelistrikan semikonduktor sangat berbeda dengan sifat konduktor dan isolator. Konduktivitas listrik suatu konduktor sangat bergantung pada suhu, penerangan, keberadaan dan intensitas medan listrik, serta jumlah pengotor. Pada suhu biasa, semikonduktor mengandung sejumlah elektron bebas yang dihasilkan dari pemutusan ikatan elektronik. Semikonduktor memiliki dua jenis konduktivitas: elektron dan lubang. Pembawa muatan dalam semikonduktor dengan konduksi elektronik adalah elektron bebas, dan dengan konduksi lubang, mereka adalah ikatan tanpa elektron.
Perhatikan percobaan berikut. Mari kita ambil sebuah konduktor logam dan memanaskan salah satu ujungnya, maka ujung konduktor yang dipanaskan akan menerima muatan positif. Hal ini dijelaskan oleh pergerakan elektron dari ujung panas ke ujung dingin, sehingga mengakibatkan kekurangan elektron pada ujung panas penghantar (muatan positif) dan kelebihan elektron pada ujung dingin (muatan negatif). Aliran arus jangka pendek melalui suatu konduktor disebabkan oleh pergerakan elektron dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya. Jadi, di sini kita berbicara tentang konduktor dengan konduktivitas elektronik. Namun, ada zat yang berperilaku berbeda selama percobaan tersebut: tepi panas suatu zat menerima muatan negatif, dan tepi dingin menerima muatan positif. Hal ini dimungkinkan jika kita berasumsi bahwa perpindahan arus dilakukan oleh muatan positif.
Gambar 4. Ikatan antar atom suatu zat
 |
| Gambar 5. Konduktivitas intrinsik semikonduktor |
  |
| Gambar 6. Konduktivitas elektronik suatu semikonduktor |
 |
| Gambar 7. Konduktivitas lubang semikonduktor |
Mari berkenalan dengan jenis konduktivitas lain dalam semikonduktor - konduktivitas lubang. Dalam semikonduktor murni, semua elektron yang terikat lemah pada inti ikut serta dalam ikatan elektronik. Pada Gambar 4, A ikatan terisi antara atom-atom zat ditunjukkan secara konvensional. “Lubang” adalah elemen kisi kristal suatu zat yang kehilangan elektron, yang berhubungan dengan munculnya muatan positif (Gambar 4, B).
Ikatan yang dilepaskan dapat terisi kembali jika “lubang” tersebut menangkap elektron dari ikatan tetangganya (Gambar 4, V). Hal ini akan menyebabkan "lubang" berpindah ke lokasi baru. Dalam zat semikonduktor dalam kondisi normal, arah emisi elektron dan lokasi pembentukan “lubang” kacau. Jika tegangan konstan diterapkan pada semikonduktor murni, maka elektron dan “lubang” akan bergerak (yang pertama melawan arah gaya medan, yang kedua berlawanan arah). Jika jumlah “lubang” yang terbentuk sama dengan jumlah elektron yang dilepaskan, maka seperti halnya semikonduktor murni, konduktivitas semikonduktor rendah (konduktivitas intrinsik). Kehadiran pengotor asing dalam jumlah kecil sekalipun dapat mengubah mekanisme konduktivitas listrik: menjadikannya elektronik atau lubang. Mari kita lihat contoh spesifiknya. Mari kita ambil germanium (Ge) sebagai semikonduktor. Dalam kristal germanium, setiap atom terikat pada empat atom lainnya. Ketika suhu naik atau akibat iradiasi, ikatan berpasangan kristal dapat terputus. Dalam hal ini, jumlah elektron dan “lubang” yang sama terbentuk (Gambar 5).
Mari tambahkan arsenik ke germanium sebagai pengotor. Pengotor semacam itu memiliki sejumlah besar elektron yang terikat lemah. Atom pengotor memiliki tingkat energinya sendiri, terletak di antara tingkat energi pita bebas dan pita terisi, lebih dekat ke pita terisi (Gambar 6). Pengotor tersebut menyerahkan elektronnya ke zona bebas dan disebut pengotor donor. Semikonduktor akan memiliki elektron bebas, sementara semua ikatan akan terisi. Semikonduktor akan memiliki konduktivitas elektronik pada pita bebas.
Jika sekarang indium, bukan arsenik, ditambahkan sebagai pengotor germanium, hal berikut akan terjadi. Pengotor tersebut memiliki sejumlah kecil elektron yang terikat lemah, dan tingkat energi pengotor terletak di antara tingkat energi pita bebas dan pita terisi, lebih dekat ke pita bebas (Gambar 7). Pengotor jenis ini menerima elektron ke dalam zonanya dari zona terisi yang berdekatan dan disebut pengotor akseptor. Dalam semikonduktor akan ada ikatan tak terisi - “lubang” tanpa adanya elektron bebas. Semikonduktor akan memiliki konduktivitas lubang pada pita yang terisi.
Sekarang pengalaman memanaskan semikonduktor akan menjadi jelas, ketika ujung yang dipanaskan menerima muatan negatif, dan ujung yang dingin menerima muatan positif. Di bawah pengaruh panas, ikatan pada ujung panas akan mulai terurai, menciptakan “lubang” dan elektron bebas. Jika semikonduktor mengandung pengotor, maka “lubang” akan mulai bergerak ke ujung dingin, mengisinya secara positif, dan ujung semikonduktor yang dipanaskan akan menjadi bermuatan negatif.
Menyimpulkan pertimbangan kami tentang semikonduktor, kami menarik kesimpulan berikut.
Dengan menambahkan pengotor ke semikonduktor, seseorang dapat memberikan konduktivitas elektronik atau lubang yang dominan. Berdasarkan hal tersebut diperoleh jenis semikonduktor berikut. Semikonduktor dengan konduktivitas elektronik disebut semikonduktor N-tipe (negatif), dan dengan konduktivitas lubang - P-tipe (positif).
Kami juga mengundang Anda untuk menonton video edukasi tentang semikonduktor:
Daftar=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I
Tidak ada yang luar biasa penting atau menarik dalam artikel ini, hanya jawaban atas pertanyaan sederhana untuk “boneka”: apa sifat utama yang membedakan semikonduktor dari logam dan dielektrik?
Semikonduktor adalah bahan (kristal, bahan polikristalin dan amorf, unsur atau senyawa) dengan adanya celah pita (antara pita konduksi dan pita valensi).
Semikonduktor elektronik adalah kristal dan zat amorf yang dalam hal konduktivitas listrik menempati posisi perantara antara logam (σ = 10 4 10 6 Ohm -1 cm -1) dan dielektrik (σ = 10 -10 10 -20 Ohm - 1 cm -1). Namun, nilai batas konduktivitas yang diberikan sangat bersyarat.
Teori pita memungkinkan kita merumuskan kriteria yang memungkinkan kita membagi benda padat menjadi dua kelas - logam dan semikonduktor (isolator). Logam dicirikan oleh adanya tingkat bebas dalam pita valensi, dimana elektron dapat berpindah, menerima energi tambahan, misalnya karena percepatan dalam medan listrik. Ciri khas logam adalah bahwa dalam keadaan dasarnya, tidak tereksitasi (pada 0 K) mereka memiliki elektron konduksi, mis. elektron yang berpartisipasi dalam gerakan teratur di bawah pengaruh medan listrik eksternal.
Dalam semikonduktor dan isolator pada 0 K, pita valensi terisi penuh, dan pita konduksi dipisahkan oleh celah pita dan tidak mengandung pembawa. Oleh karena itu, medan listrik yang tidak terlalu kuat tidak mampu memperkuat elektron yang terletak pada pita valensi dan memindahkannya ke pita konduksi. Dengan kata lain, kristal tersebut pada 0 K harus menjadi isolator yang ideal. Ketika suhu meningkat atau kristal tersebut disinari, elektron dapat menyerap kuanta energi panas atau energi radiasi yang cukup untuk berpindah ke pita konduksi. Selama transisi ini, lubang muncul di pita valensi, yang juga dapat berperan dalam transfer listrik. Peluang perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi sebanding dengan ( -EG/ kT), Di mana EG - lebar zona terlarang. Dengan nilai yang besar EG (2-3 eV) kemungkinan ini ternyata sangat kecil.
Dengan demikian, pembagian zat menjadi logam dan nonlogam mempunyai dasar yang sangat pasti. Sebaliknya, pembagian nonlogam menjadi semikonduktor dan dielektrik tidak memiliki dasar seperti itu dan murni bersyarat.
Sebelumnya, zat dengan celah pita diyakini dapat diklasifikasikan sebagai dielektrik EG≈ 2±3 eV, namun belakangan ternyata banyak di antaranya yang merupakan semikonduktor tipikal. Selain itu, telah ditunjukkan bahwa, tergantung pada konsentrasi pengotor atau kelebihan (di atas komposisi stoikiometri) atom salah satu komponen, kristal yang sama dapat menjadi semikonduktor dan isolator. Hal ini berlaku, misalnya, untuk kristal intan, seng oksida, galium nitrida, dll. Bahkan dielektrik khas seperti barium dan strontium titanat, serta rutil, ketika direduksi sebagian, memperoleh sifat semikonduktor, yang dikaitkan dengan munculnya atom logam berlebih di dalamnya.
Pembagian non-logam menjadi semikonduktor dan dielektrik juga memiliki arti tertentu, karena diketahui sejumlah kristal yang konduktivitas elektroniknya tidak dapat ditingkatkan secara signifikan baik dengan memasukkan pengotor atau dengan penerangan atau pemanasan. Hal ini disebabkan oleh masa hidup fotoelektron yang sangat singkat, atau karena adanya perangkap yang dalam di dalam kristal, atau karena mobilitas elektron yang sangat rendah, yaitu. dengan kecepatan hanyutnya yang sangat rendah dalam medan listrik.
Konduktivitas listrik sebanding dengan konsentrasi n, muatan e dan mobilitas pembawa muatan. Oleh karena itu, ketergantungan suhu dari konduktivitas berbagai bahan ditentukan oleh ketergantungan suhu dari parameter yang ditunjukkan. Untuk semua muatan konduktor elektronik e konstan dan tidak bergantung pada suhu. Pada sebagian besar material, nilai mobilitas biasanya sedikit menurun seiring dengan meningkatnya suhu karena peningkatan intensitas tumbukan antara elektron yang bergerak dan fonon, yaitu. karena hamburan elektron oleh getaran kisi kristal. Oleh karena itu, perbedaan perilaku logam, semikonduktor, dan dielektrik terutama terkait dengan konsentrasi pembawa muatan dan ketergantungannya pada suhu:
1) dalam logam, konsentrasi pembawa muatan n tinggi dan sedikit berubah seiring perubahan suhu. Variabel yang termasuk dalam persamaan daya hantar listrik adalah mobilitas. Dan karena mobilitas sedikit menurun seiring suhu, konduktivitas listrik juga menurun;
2) dalam semikonduktor dan dielektrik N biasanya meningkat secara eksponensial dengan suhu. Pertumbuhan pesat ini N memberikan kontribusi paling signifikan terhadap perubahan konduktivitas dibandingkan penurunan mobilitas. Oleh karena itu, konduktivitas listrik meningkat dengan cepat seiring dengan meningkatnya suhu. Dalam pengertian ini, dielektrik dapat dianggap sebagai semacam kasus pembatas, karena pada suhu normal nilainya N dalam zat ini sangat kecil. Pada suhu tinggi, konduktivitas dielektrik individu mencapai tingkat semikonduktor karena peningkatan N. Hal sebaliknya juga diamati - pada suhu rendah, beberapa semikonduktor menjadi isolator.
Referensi
- Barat A. Kimia padatan. Bagian 2 Per. dari bahasa Inggris - M.: Mir, 1988. - 336 hal.
- Kristalografi modern. T.4. Sifat fisik kristal. - M.: Nauka, 1981.
Mahasiswa angkatan 501 Fakultas Kimia : Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.
