Dengan meningkatnya suhu, resistansi semikonduktor. Apa itu semikonduktor? Resistansi semikonduktor

2. Bagaimana resistivitas konduktor bergantung pada suhunya? Dalam satuan apa koefisien temperatur resistansi diukur?

3. Bagaimana seseorang dapat menjelaskan ketergantungan linier resistivitas konduktor pada suhu?

4. Mengapa resistivitas semikonduktor menurun dengan meningkatnya suhu?

5. Jelaskan proses konduksi intrinsik dalam semikonduktor.

Partikel konduktor (molekul, atom, ion) yang tidak berpartisipasi dalam pembentukan arus berada dalam gerakan termal, dan partikel yang membentuk arus secara bersamaan dalam gerakan termal dan arah di bawah aksi medan listrik. Karena ini, banyak tumbukan terjadi antara partikel yang membentuk arus dan partikel yang tidak berpartisipasi dalam pembentukannya, di mana yang pertama memberikan sebagian energi dari sumber arus yang ditransfer oleh mereka ke yang terakhir. Semakin banyak tumbukan, semakin rendah kecepatan gerakan teratur partikel yang membentuk arus. Seperti yang dapat dilihat dari rumus saya = enνS, mengurangi kecepatan menyebabkan penurunan kekuatan arus. Besaran skalar yang mencirikan sifat penghantar untuk mengurangi kuat arus disebut resistansi konduktor. Dari rumus hambatan hukum Ohm Ohm - resistansi konduktor, di mana arus diperoleh dengan kekuatan 1 a pada tegangan di ujung konduktor dalam 1 v.

Hambatan konduktor tergantung pada panjangnya l, penampang S dan bahan, yang dicirikan oleh resistivitas Semakin panjang konduktor, semakin banyak per satuan waktu tumbukan partikel yang membentuk arus dengan partikel yang tidak berpartisipasi dalam pembentukannya, dan oleh karena itu semakin besar hambatan konduktor. Semakin kecil penampang konduktor, semakin padat aliran partikel yang membentuk arus, dan semakin sering mereka bertabrakan dengan partikel yang tidak berpartisipasi dalam pembentukannya, dan oleh karena itu semakin besar hambatan konduktor.

Di bawah aksi medan listrik, partikel yang membentuk arus bergerak dengan kecepatan yang dipercepat di antara tumbukan, meningkatkan energi kinetiknya karena energi medan. Ketika bertabrakan dengan partikel yang tidak membentuk arus, partikel tersebut mentransfer sebagian energi kinetiknya ke partikel tersebut. Akibatnya, energi internal konduktor meningkat, yang secara eksternal memanifestasikan dirinya dalam pemanasannya. Pertimbangkan apakah resistansi konduktor berubah ketika dipanaskan.

Di sirkuit listrik ada gulungan kawat baja (tali, Gbr. 81, a). Setelah menutup sirkuit, kami akan mulai memanaskan kawat. Semakin kita memanaskannya, semakin kecil arus yang ditunjukkan oleh ammeter. Penurunannya berasal dari fakta bahwa ketika logam dipanaskan, resistansinya meningkat. Jadi, hambatan sehelai rambut bola lampu ketika tidak menyala adalah kira-kira 20 ohm, dan ketika terbakar (2900 ° C) - 260 ohm. Ketika logam dipanaskan, gerakan termal elektron dan laju osilasi ion dalam kisi kristal meningkat, akibatnya jumlah tumbukan elektron yang membentuk arus dengan ion meningkat. Ini menyebabkan peningkatan resistansi konduktor *. Dalam logam, elektron tidak bebas terikat sangat kuat pada ion; oleh karena itu, ketika logam dipanaskan, jumlah elektron bebas praktis tidak berubah.

* (Berdasarkan teori elektronik, tidak mungkin untuk menurunkan hukum yang tepat dari ketergantungan resistensi pada suhu. Hukum seperti itu ditetapkan oleh teori kuantum, di mana elektron dianggap sebagai partikel dengan sifat gelombang, dan pergerakan elektron konduksi melalui logam dianggap sebagai proses perambatan gelombang elektron, yang panjangnya ditentukan oleh hubungan de Broglie.)

Eksperimen menunjukkan bahwa ketika suhu konduktor dari zat yang berbeda berubah dengan jumlah derajat yang sama, resistansinya berubah secara tidak merata. Misalnya, jika konduktor tembaga memiliki hambatan 1 ohm, kemudian setelah pemanasan 1°С dia akan melawan 1,004 ohm, dan tungsten- 1,005 ohm. Untuk mengkarakterisasi ketergantungan resistansi konduktor pada temperaturnya, suatu besaran yang disebut koefisien temperatur resistansi telah diperkenalkan. Nilai skalar yang diukur dengan perubahan resistansi konduktor 1 ohm, diambil pada 0 ° C, dari perubahan suhunya sebesar 1 ° C, disebut koefisien suhu resistansi. Jadi, untuk tungsten, koefisien ini sama dengan 0,005 derajat -1, untuk tembaga - 0,004 derajat -1 . Koefisien suhu resistansi tergantung pada suhu. Untuk logam, itu sedikit berubah dengan suhu. Dengan rentang suhu yang kecil, itu dianggap konstan untuk bahan tertentu.

Kami memperoleh rumus di mana resistansi konduktor dihitung dengan mempertimbangkan suhunya. Mari kita asumsikan bahwa R0- resistansi konduktor di 0 °С, bila dipanaskan sampai 1°С itu akan meningkat sebesar R 0, dan bila dipanaskan sampai t°- di Rt° dan menjadi R = R 0 + R 0 t°, atau

Ketergantungan resistansi logam pada suhu diperhitungkan, misalnya, dalam pembuatan spiral untuk pemanas listrik, lampu: panjang kawat spiral dan kekuatan arus yang diijinkan dihitung dari resistansi dalam keadaan panas. Ketergantungan resistansi logam pada suhu digunakan dalam termometer resistansi, yang digunakan untuk mengukur suhu mesin panas, turbin gas, logam dalam tanur tinggi, dll. Termometer ini terdiri dari platina tipis (nikel, besi) spiral luka pada bingkai porselen dan ditempatkan ke dalam kotak pelindung. Ujung-ujungnya terhubung ke sirkuit listrik dengan ammeter, yang skalanya dinyatakan dalam derajat suhu. Ketika kumparan dipanaskan, arus dalam rangkaian berkurang, hal ini menyebabkan jarum ammeter bergerak, yang menunjukkan suhu.

Kebalikan dari resistansi bagian tertentu, sirkuit, disebut konduktivitas listrik dari konduktor(konduktivitas listrik). Konduktivitas listrik konduktor Semakin besar konduktivitas konduktor, semakin rendah resistansi dan semakin baik menghantarkan arus. Nama unit konduktivitas listrik Konduktivitas resistansi konduktor 1 ohm ditelepon Siemens.

Ketika suhu menurun, resistansi logam berkurang. Tetapi ada logam dan paduan, yang resistansinya, pada suhu rendah yang ditentukan untuk setiap logam dan paduan, berkurang tajam dan menjadi sangat kecil - praktis sama dengan nol (Gbr. 81, b). Yang akan datang superkonduktivitas- konduktor praktis tidak memiliki hambatan, dan begitu arus tereksitasi di dalamnya ada untuk waktu yang lama, sementara konduktor berada pada suhu superkonduktivitas (dalam salah satu percobaan, arus diamati selama lebih dari setahun). Ketika arus dilewatkan melalui superkonduktor dengan kerapatan 1200 a / mm 2 tidak ada pelepasan panas yang diamati. Logam univalen, yang merupakan konduktor arus terbaik, tidak masuk ke keadaan superkonduktor hingga suhu yang sangat rendah saat eksperimen dilakukan. Misalnya, dalam percobaan ini, tembaga didinginkan untuk 0,0156°K, emas - sebelumnya 0,0204° K. Jika mungkin untuk mendapatkan paduan dengan superkonduktivitas pada suhu biasa, maka ini akan menjadi sangat penting untuk teknik listrik.

Menurut konsep modern, penyebab utama superkonduktivitas adalah pembentukan pasangan elektron terikat. Pada suhu superkonduktivitas, gaya pertukaran mulai bekerja antara elektron bebas, menyebabkan elektron membentuk pasangan elektron terikat. Gas elektron dari pasangan elektron terikat seperti itu memiliki sifat yang berbeda dari gas elektron biasa - ia bergerak dalam superkonduktor tanpa gesekan terhadap simpul kisi kristal.

Dalam praktiknya, setiap ahli listrik menghadapi kondisi yang berbeda untuk lewatnya pembawa muatan dalam logam, semikonduktor, gas, dan cairan. Besarnya arus dipengaruhi oleh hambatan listrik, yang bervariasi dalam berbagai cara di bawah pengaruh lingkungan.

Salah satu faktor tersebut adalah pengaruh suhu. Karena secara signifikan mengubah kondisi aliran arus, itu diperhitungkan oleh desainer dalam produksi peralatan listrik. Personil listrik yang terlibat dalam pemeliharaan dan pengoperasian instalasi listrik harus secara kompeten menggunakan fitur-fitur ini dalam pekerjaan praktis.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik logam

Dalam kursus fisika sekolah, diusulkan untuk melakukan percobaan seperti itu: ambil ammeter, baterai, seutas kawat, kabel penghubung, dan pembakar. Alih-alih ammeter dengan baterai, Anda dapat menghubungkan ohmmeter atau menggunakan modenya dalam multimeter.

Sekarang kita membawa api kompor ke kawat dan mulai memanaskannya. Jika Anda melihat amperemeter, Anda akan melihat bahwa panah akan bergerak ke kiri dan mencapai posisi yang ditandai dengan warna merah.

Hasil percobaan menunjukkan bahwa ketika logam dipanaskan, konduktivitasnya berkurang, dan resistansinya meningkat.

Pembenaran matematis untuk fenomena ini diberikan oleh rumus tepat di gambar. Dalam ekspresi yang lebih rendah, terlihat jelas bahwa hambatan listrik "R" dari konduktor logam berbanding lurus dengan suhunya "T" dan tergantung pada beberapa parameter lagi.

Bagaimana pemanasan logam membatasi arus listrik dalam praktik

Lampu pijar

Setiap hari, saat lampu dinyalakan, kita bertemu dengan manifestasi properti ini dalam lampu pijar. Kami akan melakukan pengukuran sederhana pada bola lampu dengan daya 60 watt.

Dengan ohmmeter paling sederhana, ditenagai oleh baterai 4,5 V tegangan rendah, kami mengukur resistansi antara kontak dasar dan melihat nilai 59 ohm. Nilai ini dimiliki oleh filamen dalam keadaan dingin.

Kami memasang bola lampu ke dalam kartrid dan melalui ammeter kami menghubungkan tegangan jaringan rumah 220 volt ke sana. Jarum amperemeter akan menunjukkan 0,273 ampere. Mari kita tentukan resistansi filamen dalam keadaan panas. Ini akan menjadi 896 ohm dan akan melebihi pembacaan ohmmeter sebelumnya sebanyak 15,2 kali.

Kelebihan seperti itu melindungi logam tubuh dari panas dari kelelahan dan kehancuran, memastikan kinerja jangka panjangnya di bawah tegangan.

Nyalakan transien

Ketika filamen beroperasi, keseimbangan termal dibuat di atasnya antara pemanasan dari arus listrik yang lewat dan pelepasan sebagian panas ke lingkungan. Tetapi, pada tahap awal penyalaan, ketika tegangan diterapkan, terjadi transien yang menciptakan arus masuk, yang dapat menyebabkan filamen terbakar.

Proses transien terjadi dalam waktu singkat dan disebabkan oleh fakta bahwa laju peningkatan hambatan listrik dari pemanasan logam tidak mengimbangi peningkatan arus. Setelah selesai, mode operasi diatur.

Selama cahaya panjang lampu, ketebalan filamennya secara bertahap mencapai keadaan kritis, yang menyebabkan kejenuhan. Paling sering, momen ini terjadi pada inklusi baru berikutnya.

Untuk memperpanjang umur lampu, arus masuk ini dikurangi dengan berbagai cara, menggunakan:

1. perangkat yang menyediakan suplai dan pelepasan tegangan yang lancar;

2. rangkaian untuk menghubungkan resistor, semikonduktor atau termistor (termistor) secara seri ke filamen.

Contoh salah satu cara untuk membatasi arus masuk untuk lampu mobil ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Di sini, arus disuplai ke bola lampu setelah menyalakan sakelar sakelar SA melalui sekering FU dan dibatasi oleh resistor R, yang nilainya dipilih sehingga lonjakan arus selama transien tidak melebihi nilai nominal.

Ketika filamen dipanaskan, resistansinya meningkat, yang mengarah pada peningkatan perbedaan potensial antara kontaknya dan belitan terhubung paralel dari relai KL1. Ketika tegangan mencapai pengaturan relai, kontak KL1 yang biasanya terbuka menutup dan melangsir resistor. Arus operasi dari mode yang sudah ditetapkan akan mulai mengalir melalui bola lampu.

Pengaruh suhu logam pada hambatan listriknya digunakan dalam pengoperasian alat ukur. Mereka disebut .

Elemen sensitif mereka terbuat dari kawat logam tipis, yang resistansinya diukur dengan cermat pada suhu tertentu. Benang ini dipasang di rumah dengan sifat termal yang stabil dan ditutupi dengan penutup pelindung. Struktur yang dibuat ditempatkan di lingkungan yang suhunya harus terus dipantau.

Kabel sirkuit listrik dipasang pada terminal elemen sensitif, yang dengannya sirkuit pengukuran resistansi dihubungkan. Nilainya diubah menjadi nilai suhu berdasarkan kalibrasi instrumen yang dilakukan sebelumnya.

Baretter - stabilizer saat ini

Ini adalah nama perangkat yang terdiri dari silinder kaca tertutup dengan gas hidrogen dan spiral kawat logam yang terbuat dari besi, tungsten atau platinum. Desain ini menyerupai bola lampu pijar dalam penampilan, tetapi memiliki karakteristik non-linier volt-ampere tertentu.

Pada CVC, dalam kisaran tertentu, zona kerja terbentuk, yang tidak bergantung pada fluktuasi tegangan yang diterapkan pada badan pemanas. Di bagian ini, barter mengkompensasi riak daya dengan baik dan bekerja sebagai penstabil arus pada beban yang dihubungkan secara seri.

Operasi barter didasarkan pada sifat inersia termal filamen, yang disediakan oleh penampang kecil filamen dan konduktivitas termal yang tinggi dari hidrogen yang mengelilinginya. Karena ini, ketika tegangan pada perangkat berkurang, pelepasan panas dari utasnya dipercepat.

Ini adalah perbedaan utama antara lampu barter dan lampu pijar, di mana, untuk mempertahankan kecerahan cahaya, mereka berusaha untuk mengurangi kehilangan panas konveksi dari filamen.

Superkonduktivitas

Dalam kondisi lingkungan normal, ketika konduktor logam didinginkan, hambatan listriknya berkurang.

Ketika suhu kritis tercapai, mendekati nol derajat menurut sistem pengukuran Kelvin, ada penurunan tajam dalam resistensi ke nol. Gambar kanan menunjukkan ketergantungan seperti itu terhadap merkuri.

Fenomena ini, yang disebut superkonduktivitas, dianggap sebagai area yang menjanjikan untuk penelitian untuk menciptakan bahan yang secara signifikan dapat mengurangi kehilangan listrik selama transmisi jarak jauh.

Namun, studi superkonduktivitas yang sedang berlangsung telah mengungkapkan sejumlah keteraturan ketika faktor-faktor lain mempengaruhi hambatan listrik dari logam yang terletak di wilayah suhu kritis. Secara khusus, selama aliran arus bolak-balik dengan peningkatan frekuensi osilasinya, resistansi muncul, yang nilainya mencapai kisaran nilai biasa untuk harmonik dengan periode gelombang cahaya.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik/konduktivitas gas

Gas dan udara biasa adalah dielektrik dan tidak menghantarkan listrik. Untuk pembentukannya, diperlukan pembawa muatan, yang merupakan ion yang terbentuk sebagai akibat dari faktor eksternal.

Pemanasan dapat menyebabkan ionisasi dan pergerakan ion dari satu kutub medium ke kutub lainnya. Ini dapat diverifikasi dengan eksperimen sederhana. Mari kita ambil peralatan yang sama yang digunakan untuk menentukan efek pemanasan pada resistansi konduktor logam, hanya alih-alih kawat, kami menghubungkan dua pelat logam yang dipisahkan oleh ruang udara ke kabel.

Sebuah ammeter yang terhubung ke sirkuit akan menunjukkan tidak adanya arus. Jika api pembakar ditempatkan di antara pelat, panah perangkat akan menyimpang dari nol dan menunjukkan nilai arus yang melewati media gas.

Dengan demikian, ditetapkan bahwa ionisasi terjadi dalam gas selama pemanasan, yang mengarah pada pergerakan partikel bermuatan listrik dan penurunan resistansi medium.

Nilai arus dipengaruhi oleh daya sumber tegangan eksternal yang diterapkan dan perbedaan potensial antara kontaknya. Ia mampu menembus lapisan isolasi gas pada nilai tinggi. Manifestasi karakteristik dari kasus semacam itu di alam adalah pelepasan petir secara alami selama badai petir.

Pandangan perkiraan karakteristik tegangan arus dari aliran arus dalam gas ditunjukkan pada grafik.

Pada tahap awal, di bawah aksi suhu dan perbedaan potensial, peningkatan ionisasi dan aliran arus kira-kira menurut hukum linier diamati. Kurva kemudian menjadi horizontal ketika kenaikan tegangan tidak menyebabkan kenaikan arus.

Tahap ketiga pemecahan terjadi ketika energi tinggi dari medan yang diterapkan mempercepat ion sehingga mereka mulai bertabrakan dengan molekul netral, secara besar-besaran membentuk pembawa muatan baru dari mereka. Akibatnya, arus meningkat tajam, membentuk kerusakan lapisan dielektrik.

Penggunaan praktis dari konduktivitas gas

Fenomena aliran arus melalui gas digunakan dalam lampu elektronik dan lampu neon.

Untuk melakukan ini, dua elektroda ditempatkan di dalam silinder kaca tertutup dengan gas inert:

1. anoda;

2. katoda.

Dalam lampu neon, mereka dibuat dalam bentuk filamen, yang dipanaskan saat dinyalakan untuk menghasilkan emisi termionik. Permukaan bagian dalam labu ditutupi dengan lapisan fosfor. Ini memancarkan spektrum cahaya yang kita lihat, yang dibentuk oleh radiasi inframerah yang berasal dari uap merkuri yang dibombardir oleh aliran elektron.

Arus pelepasan gas terjadi ketika tegangan dengan nilai tertentu diterapkan antara elektroda yang terletak di ujung bohlam yang berbeda.

Ketika salah satu filamen terbakar, maka emisi elektron akan terganggu pada elektroda ini dan lampu tidak akan menyala. Namun, jika beda potensial antara katoda dan anoda dinaikkan, maka pelepasan gas akan terjadi lagi di dalam bola lampu dan cahaya fosfor akan kembali menyala.

Ini memungkinkan Anda untuk menggunakan bohlam LED dengan filamen yang rusak dan memperpanjang masa pakainya. Hanya perlu diingat bahwa dalam hal ini perlu untuk meningkatkan tegangan beberapa kali, dan ini secara signifikan meningkatkan konsumsi daya dan risiko penggunaan yang aman.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik cairan

Aliran arus dalam cairan dibuat terutama karena pergerakan kation dan anion di bawah aksi medan listrik yang diterapkan secara eksternal. Hanya sebagian kecil dari konduktivitas yang disediakan oleh elektron.

Pengaruh suhu terhadap nilai hambatan listrik cairan elektrolit digambarkan dengan rumus yang ditunjukkan pada gambar. Karena nilai koefisien suhu di dalamnya selalu negatif, maka dengan meningkatnya pemanasan, konduktivitas meningkat, dan resistansi turun seperti yang ditunjukkan pada grafik.

Fenomena ini harus diperhitungkan saat mengisi baterai otomotif cair (dan tidak hanya).

Pengaruh suhu pada hambatan listrik semikonduktor

Mengubah sifat bahan semikonduktor di bawah pengaruh suhu memungkinkan untuk menggunakannya sebagai:

ketahanan termal;

elemen termo;

lemari es;

pemanas.

termistor

Nama ini mengacu pada perangkat semikonduktor yang mengubah hambatan listriknya di bawah pengaruh panas. Mereka jauh lebih tinggi daripada logam.

Nilai TCR untuk semikonduktor bisa positif atau negatif. Menurut parameter ini, mereka dibagi menjadi termistor "RTS" positif dan negatif "NTC". Mereka memiliki karakteristik yang berbeda.

Untuk pengoperasian termistor, salah satu titik pada karakteristik tegangan arusnya dipilih:

bagian linier digunakan untuk mengontrol suhu atau mengkompensasi perubahan arus atau tegangan;

cabang menurun dari CVC untuk elemen dengan TCS

Penggunaan termistor relai nyaman untuk memantau atau mengukur proses radiasi elektromagnetik yang terjadi pada frekuensi gelombang mikro. Ini memastikan penggunaannya dalam sistem:

1. kontrol panas;

2. alarm kebakaran;

3. kontrol aliran media curah dan cairan.

Termistor silikon dengan TCR>0 kecil digunakan dalam sistem pendingin dan stabilisasi suhu transistor.

elemen termo

Semikonduktor ini bekerja berdasarkan fenomena Seebeck: ketika tempat yang disolder dari dua logam yang berbeda dipanaskan, ggl muncul di persimpangan sirkuit tertutup. Dengan cara ini, mereka mengubah energi panas menjadi listrik.

Desain dua elemen seperti itu disebut termokopel. Efisiensinya berada di kisaran 7÷10%.

Termoelemen digunakan dalam pengukur suhu perangkat komputasi digital yang membutuhkan dimensi mini dan akurasi pembacaan yang tinggi, serta sumber arus berdaya rendah.

Pemanas semikonduktor dan lemari es

Mereka bekerja dengan menggunakan kembali termokopel melalui mana arus listrik dilewatkan. Dalam hal ini, di satu tempat persimpangan itu dipanaskan, dan di tempat yang berlawanan didinginkan.

Sambungan semikonduktor berdasarkan selenium, bismut, antimon, telurium memungkinkan untuk memberikan perbedaan suhu dalam termoelemen hingga 60 derajat. Ini memungkinkan untuk membuat desain lemari es yang terbuat dari semikonduktor dengan suhu di ruang pendingin hingga -16 derajat.

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

Apa itu semikonduktor?

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

Fitur desain yang dimiliki oleh semikonduktor listrik

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

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

Struktur pita

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

Keadaan elektron

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

Zona merosot

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

Kotoran dan cacat pada semikonduktor

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

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

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

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

Statistik elektron dalam semikonduktor

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

Konduktivitas listrik

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

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

semangat

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

Permukaan semikonduktor

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

Semikonduktor. Suhu mempengaruhi resistensi

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

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

Resistansi dan ionisasi elektrostatik

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

Resistensi dan dampak ionisasi

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

Penggunaan semikonduktor dalam praktik

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

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

Kesimpulan

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