Apa yang dimaksud dengan lubang pada semikonduktor. Elektron dan lubang pada semikonduktor

Salah satu penemuan paling luar biasa dan menarik beberapa tahun terakhir adalah penerapan fisika padat hingga pengembangan teknis sejumlah perangkat listrik seperti transistor. Studi tentang semikonduktor mengarah pada penemuan mereka sifat-sifat yang bermanfaat dan bagi banyak orang aplikasi praktis. Di bidang ini, segalanya berubah begitu cepat sehingga apa yang diberitahukan kepada Anda hari ini mungkin, dalam satu tahun, menjadi salah atau, dalam hal apa pun, tidak lengkap. Dan sangat jelas bahwa dengan mempelajari zat-zat tersebut secara lebih rinci, pada akhirnya kita akan mampu mencapai hal-hal yang jauh lebih menakjubkan. Anda tidak memerlukan materi dalam bab ini untuk memahami bab-bab berikutnya, namun Anda mungkin ingin melihat bahwa setidaknya sebagian dari apa yang telah Anda pelajari masih relevan dalam beberapa hal.

Ada banyak semikonduktor yang diketahui, namun kami akan membatasi diri pada semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam teknologi saat ini. Selain itu, mereka telah dipelajari lebih baik daripada yang lain, sehingga setelah memahaminya, sampai batas tertentu kita akan memahami banyak lainnya. Bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan saat ini adalah silikon dan germanium. Unsur-unsur ini mengkristal dalam kisi tipe berlian - dalam struktur kubik di mana atom-atomnya memiliki ikatan empat kali lipat (tetrahedral) dengan atom-atomnya. tetangga terdekat. Sangat suhu rendah(menutup nol mutlak) bersifat isolator, meskipun hanya menghantarkan sedikit listrik pada suhu kamar. Ini bukan logam; mereka dipanggil semikonduktor.

Jika kita memasukkan elektron tambahan ke dalam kristal silikon atau germanium pada suhu rendah, maka apa yang dijelaskan dalam bab sebelumnya. Elektron seperti itu akan mulai berkeliaran di sekitar kristal, melompat dari tempat satu atom berdiri ke tempat atom lainnya berdiri. Kita hanya membahas perilaku atom dalam kisi persegi panjang, dan untuk kisi silikon atau germanium sesungguhnya persamaannya akan berbeda. Tapi segala sesuatu yang penting bisa menjadi jelas dari hasil kisi persegi panjang.

Seperti yang kita lihat di Bab. 11, energi elektron ini hanya dapat berada pada kisaran nilai tertentu, yang disebut zona konduksi. Di zona ini, energi berhubungan dengan bilangan gelombang k dari amplitudo probabilitas DENGAN[cm. (11.24)] dengan rumus

Berbeda A adalah amplitudo lompatan dalam arah x, kamu Dan z, A a, b, c - ini adalah konstanta kisi (interval antar node) dalam arah ini.

Untuk energi di dekat bagian bawah zona, rumus (12.1) kira-kira dapat ditulis sebagai berikut:

(lihat Bab 11, § 4).

Jika kita tertarik pada pergerakan elektron dalam arah tertentu, sehingga perbandingan komponen k selalu sama, maka energinya adalah fungsi kuadrat bilangan gelombang dan, oleh karena itu, momentum elektron. Anda bisa menulis

di mana α adalah suatu konstanta, dan gambarkan grafik ketergantungannya E dari k(Gbr. 12.1). Kita akan menyebut grafik seperti itu sebagai “diagram energi”. Sebuah elektron dalam keadaan energi dan momentum tertentu dapat direpresentasikan pada grafik tersebut dengan sebuah titik (S pada gambar).

Kami telah menyebutkan di Bab. 11 bahwa keadaan yang sama akan timbul jika kita kami akan menghapusnya elektron dari isolator netral. Kemudian elektron dari atom tetangga dapat melompat ke tempat ini. Dia akan mengisi “lubang” tersebut, dan dia akan meninggalkan “lubang” baru di tempat dia berdiri. Kita dapat mendeskripsikan perilaku ini dengan menentukan amplitudonya lubang akan berada di dekat atom tertentu, dan mengatakan itu lubang dapat melompat dari atom ke atom. (Dan jelas bahwa amplitudonya A bahwa lubang melompati atom A ke atom B, persis sama dengan amplitudo elektron dari atom tersebut B melompat ke dalam lubang dari atom A.)

Matematika untuk lubang sama dengan elektron tambahan, dan kita kembali menemukan bahwa energi lubang berhubungan dengan bilangan gelombangnya melalui persamaan yang persis sama dengan (12.1) dan (12.2), namun tentu saja dengan persamaan lain. nilai numerik amplitudo Ah x,Sebuah kamu Dan Sebuah z. Sebuah lubang juga memiliki energi yang terkait dengan bilangan gelombang amplitudo probabilitasnya. Energinya terletak pada zona terbatas tertentu dan, di dekat bagian bawah zona, berubah secara kuadrat dengan meningkatnya jumlah gelombang (atau momentum) dengan cara yang sama seperti pada Gambar. 12.1. Mengulangi alasan kami di Bab. 11, §3, kita akan menemukannya lubang juga berperilaku seperti partikel klasik dengan beberapa hal tertentu massa efektif, dengan satu-satunya perbedaan bahwa pada kristal non-kubik, massanya bergantung pada arah pergerakan. Jadi, lubangnya menyerupai menaruh partikelmuatan tubuh, bergerak melalui kristal. Muatan partikel lubang adalah positif karena terkonsentrasi di tempat yang tidak terdapat elektron; dan ketika ia bergerak ke arah tertentu, ia sebenarnya berada di dalam sisi sebaliknya elektron sedang bergerak.

Jika beberapa elektron ditempatkan dalam kristal netral, pergerakannya akan sangat mirip dengan pergerakan atom dalam gas pada tekanan rendah. Jika jumlahnya tidak terlalu banyak, interaksinya bisa diabaikan. Jika Anda kemudian menerapkan medan listrik pada kristal, elektron akan mulai bergerak dan mengalir arus listrik. Pada prinsipnya, mereka harus berakhir di tepi kristal dan, jika ada elektroda logam di sana, pindah ke sana, meninggalkan kristal netral.

Dengan cara yang sama, banyak lubang dapat dimasukkan ke dalam kristal. Mereka akan mulai berkeliaran secara acak. Jika medan listrik diterapkan, medan listrik tersebut akan mengalir ke elektroda negatif dan kemudian dapat “dihilangkan” dari elektroda tersebut, yang terjadi ketika medan listrik tersebut dinetralkan oleh elektron dari elektroda logam.

Elektron dan lubang dapat muncul di kristal secara bersamaan. Jika jumlahnya tidak terlalu banyak lagi, maka mereka akan mengembara secara mandiri. Dalam medan listrik, semuanya akan berkontribusi terhadap arus total. Oleh alasan yang jelas elektron disebut pembawa negatif, dan lubang - pembawa positif.

Hingga saat ini, kami percaya bahwa elektron dimasukkan ke dalam kristal dari luar atau (untuk membentuk lubang) dikeluarkan darinya. Namun Anda juga dapat “membuat” pasangan elektron-lubang dengan melepaskan elektron terikat dari atom netral dan menempatkannya dalam kristal yang sama pada jarak tertentu. Kemudian kita akan memiliki elektron bebas dan lubang bebas, dan pergerakannya akan seperti yang telah kita jelaskan.

Energi yang dibutuhkan untuk menempatkan elektron pada keadaan tersebut S (kami mengatakan: untuk “menciptakan” sebuah negara S), adalah energi E¯, ditunjukkan pada Gambar 12.2. Ini adalah energi yang melebihi E¯ mnt. Energi yang dibutuhkan untuk "menciptakan" lubang di keadaan tertentu S′, adalah energi E+(Gbr. 12.3), yang merupakan pecahan lebih tinggi dari E(=E + mnt).

Dan untuk menciptakan pasangan di negara bagian S Dan S′, kamu hanya butuh energi E¯+ E+.

Pembentukan pasangan, seperti yang akan kita lihat nanti, merupakan proses yang sangat umum, dan banyak orang memilih untuk menempatkan buah ara. 12.2 dan 12.3 per gambar, dan energi lubang menunda turun, meskipun, tentu saja, energi ini positif. Pada gambar. Pada Gambar 12.4 kami menggabungkan kedua grafik ini. Keuntungan grafik tersebut adalah energi E dari pasangan = E¯+ E+, diperlukan untuk membentuk pasangan (elektron masuk S dan lubang masuk S′ ), hanya diberikan oleh jarak vertikal antara S Dan S′ , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12.4. Energi terkecil yang diperlukan untuk membentuk pasangan disebut lebar energi, atau lebar celah, dan sama dengan

Terkadang Anda mungkin menemukan diagram yang lebih sederhana. Itu diambil oleh mereka yang tidak tertarik dengan variabel tersebut k, menyebutnya diagram tingkat energi. Diagram ini (ditunjukkan pada Gambar 12.5) hanya menunjukkan energi elektron dan lubang yang diizinkan.

Bagaimana pasangan elektron-lubang tercipta? Ada beberapa cara. Misalnya, foton cahaya(atau sinar-X) dapat diserap dan membentuk pasangan jika saja energi fotonnya lebih besar dari lebar energinya. Laju pembentukan pasangan sebanding dengan intensitas cahaya. Jika Anda menekan dua elektroda ke ujung kristal dan menerapkan tegangan “bias”, maka elektron dan lubang akan tertarik ke elektroda. Arus dalam rangkaian akan sebanding dengan intensitas cahaya. Mekanisme ini bertanggung jawab atas fenomena fotokonduktivitas dan pengoperasian fotosel. Pasangan elektron-lubang juga dapat dibentuk oleh partikel energi tinggi. Ketika partikel bermuatan bergerak cepat (misalnya proton atau pion dengan energi puluhan atau ratusan saya) terbang melalui kristal, medan listriknya dapat merobek elektron dari kristal tersebut negara bagian terkait, membentuk pasangan lubang elektron. Ratusan dan ribuan fenomena serupa terjadi pada setiap milimeter jejak. Setelah partikel lewat, pembawa dapat dikumpulkan dan menyebabkannya impuls listrik. Berikut mekanisme yang dimainkan pada pencacah semikonduktor, di akhir-akhir ini digunakan dalam percobaan pada fisika nuklir. Untuk penghitung seperti itu, semikonduktor tidak diperlukan; mereka dapat dibuat dari isolator kristal. Inilah yang sebenarnya terjadi: penghitung pertama terbuat dari berlian, yang merupakan isolator pada suhu kamar. Namun kita memerlukan kristal yang sangat murni jika kita ingin elektron dan lubang dapat mencapai elektroda tanpa takut tertangkap. Inilah sebabnya mengapa silikon dan germanium digunakan, karena sampel semikonduktor ini berukuran wajar (dalam urutan satu sentimeter). dapat diperoleh dengan kemurnian tinggi.

Sampai saat ini, kita hanya menyentuh sifat-sifat kristal semikonduktor pada suhu sekitar nol mutlak. Pada suhu selain nol, terdapat mekanisme lain untuk menciptakan pasangan lubang elektron. Dapat memberikan energi pada pasangan energi panas kristal. Getaran termal kristal dapat mentransfer energinya ke pasangan, menyebabkan lahirnya pasangan secara “spontan”.

Peluang (per satuan waktu) energi yang mencapai celah energi E celah akan terkonsentrasi pada lokasi salah satu atom sebanding dengan exp (—E celah /xT), Di mana T adalah suhu, dan x adalah konstanta Boltzmann [lihat Bab. 40 (edisi 4)]. Mendekati nol mutlak, kemungkinan ini hampir tidak terlihat, namun seiring dengan kenaikan suhu, kemungkinan pembentukan pasangan tersebut meningkat. Pembentukan uap pada suhu tertentu harus terus berlanjut tanpa akhir, terus menerus kecepatan konstan semakin banyak pembawa positif dan negatif. Tentu saja hal ini tidak akan benar-benar terjadi, karena suatu saat elektron-elektron tersebut secara tidak sengaja akan bertemu kembali dengan lubang-lubang tersebut, elektron tersebut akan menggelinding ke dalam lubang tersebut, dan energi yang dilepaskan akan menuju ke kisi-kisi. Kita akan mengatakan bahwa elektron dan lubang “dimusnahkan”. Ada kemungkinan tertentu suatu lubang akan bertemu dengan elektron dan keduanya akan saling menghancurkan.

Jika jumlah elektron per satuan volume adalah Tidak (N berarti pembawa negatif, atau negatif), dan kepadatan pembawa positif (positif). tidak, maka peluang sebuah elektron dan sebuah lubang bertemu dan musnah per satuan waktu sebanding dengan hasil kali Tidak ada P. Pada kesetimbangan, laju ini harus sama dengan laju pembentukan pasangan. Oleh karena itu, pada kesetimbangan produk NNNp harus sama dengan hasil kali suatu konstanta dan faktor Boltzmann

Ketika kita berbicara tentang konstanta, yang kami maksud adalah perkiraan keteguhannya. Lagi teori yang lengkap, yang memperhitungkan berbagai detail tentang bagaimana elektron dan lubang “menemukan” satu sama lain, menunjukkan bahwa “konstanta” juga sedikit bergantung pada suhu; namun ketergantungan utama pada suhu masih bersifat eksponensial.

Mari kita ambil contoh zat murni, yang awalnya netral. Pada suhu yang terbatas kita dapat mengharapkan jumlah pembawa positif dan negatif sama, Tidak = tidak. Ini berarti bahwa masing-masing angka ini harus berubah seiring suhu e - slot E / 2xT. Perubahan banyak sifat semikonduktor (misalnya konduktivitasnya) terutama ditentukan oleh faktor eksponensial, karena semua faktor lainnya tidak terlalu bergantung pada suhu. Lebar celah untuk germanium kira-kira 0,72 setiap, dan untuk silikon 1.1 ev.

Pada suhu kamar xT adalah sekitar 1/4o ev. Pada suhu ini sudah terdapat cukup lubang dan elektron untuk memberikan konduktivitas yang nyata, sedangkan pada, katakanlah, 30°K (sepersepuluh suhu ruangan) konduksi tidak terdeteksi. Lebar slot berlian adalah 6-7 setiap, Oleh karena itu, pada suhu kamar, berlian merupakan isolator yang baik.

Dalam banyak hal lembaga pendidikan Dan di kantor, tidak jarang kita menemukan alat yang nyaman untuk bekerja seperti papan penanda magnetik 90 120. Ini benar-benar asisten yang sangat diperlukan dalam mengadakan kelas, pelatihan, dan presentasi. Papan seperti itu akan memungkinkan Anda menampilkan rumus panjang dalam fisika dengan jelas, atau membuat grafik atau diagram.

1.2. Struktur semikonduktor.

Konsep lubang

Struktur semikonduktor

Semikonduktor yang paling umum adalah semikonduktor atom silikon Si, germanium Ge, dan senyawa semikonduktor seperti galium arsenida GaAs, indium fosfida InP. Semikonduktor seperti
Dan
, Di mana Dan -elemen dari kelompok yang sesuai dari tabel periodik.

Kristal semikonduktor memiliki struktur tipe berlian. Dalam struktur kristal ini, setiap atom kristal dikelilingi oleh 4 tetangga yang terletak pada jarak yang sama dari atom. Ikatan antar atom dalam kristal bersifat berpasangan elektronik atau co
valensi Gambar XXX menunjukkan versi kisi silikon tiga dimensi dan dua dimensi. Struktur tetrahedral terdiri dari dua kisi kubik berpusat muka yang didorong satu sama lain. Perpindahan kisi-kisi relatif satu sama lain dilakukan sepanjang diagonal utama kubus pada jarak yang sama dengan seperempat panjang diagonal utama (lihat gambar)

Senyawa semikonduktor kompleks seperti GaAs, InP, PbS dan senyawa biner atau terner lainnya juga memiliki kisi tipe berlian. Namun dalam senyawa ini, satu atom suatu unsur dikelilingi oleh empat atom unsur lainnya. Ikatan antar atom bersifat kovalen.

Konsep lubang

Ketika sebuah elektron berpindah ke pita konduksi dari pita terisi (valensi), ada tempat kosong yang tersisa di pita valensi, yang dapat dengan mudah ditempati oleh elektron dari pita yang sama. Akibatnya, kekosongan yang dihasilkan memperoleh kemampuan untuk bergerak dalam pita valensi. Perilakunya dalam banyak hal mengingatkan pada perilaku partikel bermuatan positif.

Sebagaimana telah disebutkan, semikonduktor berbeda dengan logam dan isolator karena pita konduksinya “hampir kosong” pada suhu selain nol mutlak, dan pita valensinya “hampir penuh”. Namun ini berarti bahwa ketika mempertimbangkan konduktivitas dalam semikonduktor, perlu memperhitungkan pergerakan pembawa arus baik pada pita konduksi maupun pita valensi.

Untuk menyederhanakan pertimbangan transfer pembawa pada pita valensi “hampir terisi”, konsep “lubang” diperkenalkan. Namun, Anda harus selalu ingat bahwa hanya ada satu jenis pembawa arus dalam semikonduktor – elektron. Lubang adalah kuasipartikel, yang pengenalannya hanya menyederhanakan representasi pergerakan elektron dalam pita valensi. Lubang adalah tidak adanya elektron. Sifat-sifat lubang mirip dengan elektron karena menempati keadaan energi yang sama. Namun lubang tersebut membawa muatan positif.

Gambar tersebut menunjukkan diagram energi semikonduktor yang ditempatkan di medan listrik eksternal dengan suatu kekuatan . Gradien tingkat energi diagram pita semikonduktor dalam medan listrik seragam akan konstan, dan ditentukan oleh besarnya medan listrik (nanti kita akan melihat lebih dekat diagram energi semikonduktor dalam kondisi medan listrik ).

Elektron pita konduksi bergerak berlawanan dengan arah medan listrik luar, yaitu. menuju penurunan level . Elektron pita valensi bergerak ke arah yang sama. Kepadatan total elektron pita valensi saat ini dapat ditulis sebagai

Di mana - volume semikonduktor, - muatan elektron, -kecepatan Saya- elektron dari pita valensi. Penjumlahan dilakukan pada semua elektron pada pita valensi. Ekspresi ini dapat ditulis secara berbeda dengan menyatakannya dalam jumlah keadaan pita valensi yang tidak ditempati oleh elektron.

Namun rapat arus yang diciptakan oleh semua elektron dalam pita valensi terisi adalah nol. Oleh karena itu, pada rumus terakhir hanya tersisa satu suku terakhir yang dapat ditulis sebagai

Hubungan tersebut dapat diartikan sebagai berikut. Arus dihasilkan oleh pembawa positif yang terkait dengan keadaan pita valensi yang tidak terisi. Pembawa ini disebut lubang. Kami mengingatkan Anda bahwa tidak ada media yang nyata - lubang. Ini hanyalah sebuah model yang sesuai untuk mewakili arus yang dihasilkan oleh elektron pita valensi. Alasan diperkenalkannya konsep lubang adalah untuk menyederhanakan deskripsi kumpulan elektron dalam jumlah yang sangat besar dalam pita valensi yang hampir terisi. Seringkali lebih mudah untuk memantau lowongan yang ada dengan menganggapnya sebagai beberapa partikel hipotetis - lubang (analog hidromekanis sederhana dari sebuah lubang dapat berupa gelembung dalam segelas minuman berkarbonasi). Lubang-lubang yang bukan merupakan objek alam sebenarnya seringkali memiliki sifat yang sangat eksotik. Oleh karena itu, massa efektifnya tidak harus dinyatakan sebagai bilangan positif, tetapi sering kali dinyatakan dalam besaran tensor. Selain fonon, lubang adalah partikel kuasi yang diperkenalkan ke dalam teori berdasarkan analogi dengan rumus yang menggambarkan perilaku objek nyata. Seperti partikel positif, lubang dipercepat oleh medan listrik dan berkontribusi terhadap konduktivitas kristal semikonduktor.

Secara sepintas, kita perhatikan bahwa elektron konduksi, sebenarnya, juga merupakan kuasipartikel. Dari sudut pandang mekanika kuantum Semua elektron dalam kristal pada dasarnya tidak dapat dibedakan, sehingga upaya menjawab pertanyaan elektron mana yang telah masuk ke pita konduksi tidak ada gunanya. Arus listrik dalam suatu kristal ditentukan oleh perilaku yang sangat kompleks dari semua elektron yang ada di dalamnya tanpa kecuali. Namun, persamaan yang menggambarkan perilaku ini menunjukkan kemiripan yang erat dengan persamaan gerak sejumlah kecil partikel bermuatan - elektron dan lubang.

Shurenkov V.V.

Kristal semikonduktor terbentuk dari atom-atom yang tersusun dalam dalam urutan tertentu. Menurut ide-ide modern atom terdiri dari inti bermuatan positif, di sekelilingnya terdapat kulit yang berisi elektron. Dalam hal ini, setiap elektron berhubungan dengan tingkat yang ditentukan secara ketat, di mana tidak boleh ada lebih dari dua elektron dengan arti yang berbeda spin, yang mencirikan rotasi elektron. Menurut hukum mekanika kuantum, elektron hanya dapat didefinisikan secara ketat keadaan energi. Perubahan energi elektron dimungkinkan ketika kuantum diserap atau dipancarkan radiasi elektromagnetik dengan energi, perbedaan yang sama nilai energi pada tingkat awal dan akhir.

Ketika dua atom, seperti hidrogen, bersatu, orbitalnya mulai tumpang tindih dan ikatan dapat terbentuk di antara keduanya. Ada aturan yang menyatakan bahwa jumlah orbital dalam suatu molekul sama dengan jumlah jumlah orbital dalam atom, dan interaksi atom mengarah pada fakta bahwa tingkat molekul terpecah, dan semakin kecil jaraknya. antar atom, semakin kuat pemisahannya.

Pada Gambar. 1.6. menunjukkan diagram pemisahan tingkat lima atom seiring dengan berkurangnya jarak antara keduanya. Seperti dapat dilihat dari grafik, ketika ikatan terbentuk antar atom, elektron valensi membentuk zona yang diperbolehkan untuk elektron, dan jumlah keadaan di zona ini, semakin besar, semakin banyak atom yang berinteraksi. Dalam kristal, jumlah atom lebih dari 10 22 cm -3, kira-kira sama dengan jumlah level dalam zona. Dalam hal ini, jarak antar level menjadi sangat kecil, yang memungkinkan kita untuk mengasumsikan bahwa energi di zona yang diizinkan terus berubah. Maka elektron yang memasuki zona kosong dapat dianggap klasik, mengingat berada di bawah pengaruh medan listrik ia memperoleh energi secara terus menerus, dan tidak dalam kuanta, yaitu. berperilaku seperti partikel klasik.

Beras. 1.6. Pemisahan energi tingkat 1s dan 2s untuk lima atom bergantung pada jarak antara keduanya

Selama pembentukan kristal, pita yang dibentuk oleh elektron valensi dapat terisi sebagian, bebas, atau terisi penuh dengan elektron. Selain itu, jika tidak ada celah pita antara keadaan terisi dan bebas, maka bahan tersebut merupakan konduktor; jika terdapat celah pita kecil, maka merupakan semikonduktor; jika celah pita besar dan elektron tidak masuk karena itu energi panas, maka itu adalah isolator. Gambar 1.7. mengilustrasikan kemungkinan konfigurasi zona.

Untuk konduktor, pita yang diizinkan sebagian diisi dengan elektron, sehingga meskipun tegangan eksternal diterapkan, mereka dapat memperoleh energi dan bergerak mengelilingi kristal. Struktur zona ini merupakan karakteristik logam. Tingkat F yang memisahkan bagian pita yang terisi dan tidak terisi elektron disebut tingkat Fermi. Secara formal, ini didefinisikan sebagai tingkat yang probabilitas terisi elektron adalah 1/2.

Beras. 1.7. Kemungkinan struktur pita energi yang diciptakan oleh elektron valensi dalam kristal

Untuk semikonduktor dan dielektrik, struktur pitanya sedemikian rupa sehingga pita terbawah yang diperbolehkan terisi penuh dengan elektron valensi, oleh karena itu disebut valensi. Batas atas pita valensi dilambangkan dengan Ev. Di dalamnya, elektron tidak dapat bergerak di bawah pengaruh medan (dan, karenanya, memperoleh energi), karena semua tingkat energi terisi, dan menurut prinsip Pauli, elektron tidak dapat berpindah dari keadaan terisi ke keadaan terisi. Oleh karena itu, elektron dalam pita valensi yang terisi penuh tidak ikut serta dalam menciptakan konduktivitas listrik. Zona atas pada semikonduktor dan dielektrik, tanpa adanya eksitasi eksternal, bebas dari elektron, dan jika suatu elektron dilemparkan ke sana, maka di bawah pengaruh medan listrik dapat menimbulkan konduktivitas listrik, oleh karena itu zona ini disebut pita konduksi. Bagian bawah pita konduksi biasanya diberi nama Ec. Di antara pita konduksi dan pita valensi terdapat celah pita Eg, yang menurut hukum mekanika kuantum, elektron tidak dapat ditempatkan (seperti halnya elektron dalam suatu atom tidak dapat memiliki energi yang tidak sesuai dengan energi tersebut. kulit elektron). Untuk celah pita kita dapat menulis:

Misalnya = Ec – Ev (1.4.)

Dalam semikonduktor, tidak seperti isolator, celah pita lebih kecil; hal ini tercermin dalam kenyataan bahwa ketika bahan dipanaskan, lebih banyak elektron yang masuk ke pita konduksi semikonduktor karena energi panas daripada pita konduktivitas isolator, dan konduktivitas. semikonduktor bisa beberapa kali lipat lebih tinggi daripada konduktivitas isolator, namun batas antara semikonduktor dan isolator bersifat kondisional.

Karena tanpa adanya eksitasi eksternal pita valensi terisi penuh (probabilitas menemukan elektron pada Ev = 1), pita konduksi sepenuhnya bebas (probabilitas menemukan elektron pada Ec = 0), maka secara formal tingkat Fermi dengan a probabilitas pengisian ½ harus berada di celah pita. Perhitungan menunjukkan bahwa pada semikonduktor dan dielektrik yang murni dan bebas cacat (biasanya disebut intrinsik) terletak di dekat tengah celah pita. Namun, elektron tidak bisa berada di sana, karena tidak ada tingkat energi yang diperbolehkan di sana.

Beras. 1.7. Representasi skematis kristal silikon bebas cacat.

Semikonduktor dasar termasuk dalam kelompok keempat tabel periodik; mereka memiliki 4 elektron di kulit terluarnya. Dengan demikian, elektron-elektron ini berada di S (1 elektron) dan p (3 elektron). Ketika kristal terbentuk elektron terluar berinteraksi dan kulit yang terisi penuh dengan delapan elektron terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada diagram pada Gambar. 1.7.

Dalam hal ini, atom dapat terbentuk ikatan kimia dengan empat tetangga, yaitu terkoordinasi empat kali lipat. Semua ikatan setara dan membentuk kisi tetrahedral (tetrahedron adalah bangun datar dengan empat permukaan identik).

Struktur tetrahedral merupakan ciri khas kristal berlian. Semikonduktor terkenal seperti Si dan Ge memiliki struktur tipe berlian.

Ketika sebuah elektron meninggalkan pita konduksi, ia menjadi terdelokalisasi dan dapat berpindah melintasi pita dari satu atom ke atom lainnya. Ia menjadi elektron konduksi dan dapat menghasilkan arus listrik. Biasanya dikatakan: telah muncul pembawa muatan bebas, meskipun sebenarnya elektron tidak meninggalkan kristal, ia hanya berkesempatan berpindah dari satu tempat ke kristal lainnya.

Di tempat keluarnya elektron, kondisi netralitas listrik dilanggar dan muncul kekosongan elektron bermuatan positif, yang biasa disebut lubang (muatan positif disebabkan oleh muatan inti yang tidak terkompensasi).

Elektron tetangga dapat berpindah ke tempat elektron pergi, yang akan menyebabkan pergerakan lubang bermuatan positif. Dengan demikian, pergerakan elektron valensi yang mengisi keadaan elektronik bebas (larangan Pauli dicabut) menyebabkan pergerakan kekosongan di mana kondisi kompensasi muatan dilanggar, yaitu. lubang. Daripada mempertimbangkan pergerakan elektron valensi, yang jumlahnya sangat banyak pada pita valensi, pertimbangkan pergerakan lubang bermuatan positif, yang jumlahnya sedikit dan, seperti elektron, dapat mentransfer muatan. Proses ini diilustrasikan pada Gambar. 1.10.

Gambar 1.10 menunjukkan sebuah kristal yang melalui eksitasi eksternal, misalnya kuantum cahaya dengan hν > Eg, salah satu elektronnya terlempar ke pita konduksi (menjadi bebas), yaitu. salah satu atom salah satu ikatan valensinya putus. Kemudian, selain elektron yang tidak terikat dengan atom, ion bermuatan positif muncul di kristal. Kemampuan ion itu sendiri untuk bergerak di bawah pengaruh medan sangat kecil, sehingga tidak boleh diperhitungkan. Karena atom-atom dalam kristal letaknya berdekatan satu sama lain, elektron dari atom tetangga dapat tertarik ke ion ini. Dalam hal ini, lubang positif muncul pada atom tetangga tempat elektron valensi pergi, dan seterusnya. Untuk kristal sempurna, bebas dari pengotor dan cacat, konsentrasi elektron akan sama dengan konsentrasi lubang. Ini konsentrasi pembawa intrinsik n i = pi , tanda i berarti konsentrasi pembawa semikonduktor intrinsik (intrinsik – intrinsik). Untuk menghasilkan konsentrasi elektron dan lubang, kita dapat menulis:

np = n saya 2 (1,5)

Perlu dicatat bahwa hubungan ini tidak hanya berlaku untuk semikonduktor dengan konduktivitas sendiri, tetapi juga untuk kristal doping yang konsentrasi elektronnya tidak sama dengan konsentrasi lubang.

Beras. 1.10. Representasi skema pembentukan elektron dan lubang setelah penyerapan cahaya

Arah gerak lubang berlawanan dengan arah gerak elektron. Setiap elektron masuk ikatan valensi dicirikan oleh levelnya. Semua tingkat elektron valensi letaknya sangat berdekatan dan membentuk pita valensi, sehingga pergerakan suatu lubang dapat dianggap sebagai proses yang berkesinambungan, mirip dengan gerakan klasik partikel bebas. Demikian pula, karena tingkat energi pada pita konduksi terletak sangat dekat, ketergantungan energi pada momentum dapat dianggap kontinu dan, oleh karena itu, pergerakan elektron, pada perkiraan pertama, dapat dianggap sebagai pergerakan partikel bebas klasik. .

1.2.3. Doping kristal dengan pengotor donor atau akseptor, semikonduktor tipe “n” dan “p”.

Adanya pengotor dan cacat pada kristal menyebabkan munculnya tingkat energi pada celah pita, yang posisinya bergantung pada jenis pengotor atau cacat. Untuk manajemen sifat listrik semikonduktor, pengotor secara khusus dimasukkan ke dalamnya (didoping). Jadi perkenalan dengan semikonduktor dasar Kelompok IV tabel periodik unsur, misalnya Si, pengotor unsur golongan V (donor) menyebabkan munculnya elektron tambahan dan, karenanya, dominasi konduktivitas elektronik(n - tipe), pengenalan elemen Kelompok III menyebabkan munculnya lubang tambahan (tipe-p).

Beras. 1.12. Skema pembentukan elektron bebas dan atom donor bermuatan ketika Si didoping dengan unsur golongan V sistem periodik

Pada Gambar. Gambar 1.12 menunjukkan diagram kristal Si yang dimasukkan fosfor (golongan V). Unsur golongan V (donor) mempunyai 5 elektron valensi, empat diantaranya membentuk ikatan dengan atom Si tetangga, elektron kelima hanya terikat dengan atom pengotor dan ikatan ini lebih lemah dari yang lain, oleh karena itu, ketika kristal dipanaskan, ini elektron adalah yang pertama dihilangkan, dan atom fosfor memperoleh muatan positif, menjadi ion.

(1.7)

dimana E d adalah energi ionisasi (aktivasi) atom donor.

Energi ionisasi donor biasanya rendah (0,005 - 0,01 eV) dan pada suhu kamar hampir semuanya melepaskan elektronnya. Dalam hal ini, konsentrasi elektron yang muncul akibat ionisasi donor kira-kira sama dengan konsentrasi atom pengotor yang dimasukkan dan secara signifikan melebihi konsentrasi intrinsik elektron dan lubang n>>ni, itulah sebabnya bahan tersebut disebut bahan elektronik. (tipe-n).

Kita akan menyebut elektron di dalamnya sebagai pembawa muatan mayoritas dan melambangkan n n, masing-masing lubang akan disebut pembawa muatan minoritas dan melambangkan p n.

Mari kita perhatikan apa yang terjadi jika suatu unsur golongan III, misalnya B, dimasukkan ke dalam Si yang sama. Unsur golongan III mempunyai 3 elektron valensi, yang membentuk ikatan dengan atom Si tetangga, ikatan keempat dapat terbentuk jika elektron lain berpindah ke atom B dari salah satu tetangga terdekatnya, lihat Gambar. 10. Energi transisi semacam itu tidak tinggi, oleh karena itu tingkat energi penerima elektron (akseptor) terletak di dekat pita valensi. Dalam hal ini, atom boron terionisasi, menjadi bermuatan negatif, dan di tempat keluarnya elektron, terbentuk lubang bermuatan positif, yang dapat berpartisipasi dalam transfer muatan.

dimana e v adalah elektron dari pita valensi, E a adalah energi tingkat akseptor relatif terhadap bagian atas pita valensi.

Beras. 1.13. Skema pembentukan lubang bebas dan atom akseptor bermuatan ketika Si didoping dengan unsur golongan III sistem periodik

Jumlah lubang tambahan yang muncul kira-kira sesuai dengan jumlah atom akseptor yang dimasukkan dan, sebagai suatu peraturan, secara signifikan melebihi jumlah elektron yang timbul karena transisi dari pita valensi, oleh karena itu bahan yang diolah dengan pengotor akseptor adalah lubang (tipe p ).

Masuknya pengotor akseptor menyebabkan peningkatan konsentrasi lubang dan, dengan demikian, pergeseran tingkat Fermi ke arah pita valensi (semakin dekat, semakin besar konsentrasi lubang).

Pertanyaan tes.

1. Mengapa elektron dalam kristal semikonduktor mampu membawa muatan jika berada pada pita konduksi tetapi tidak dapat membawa muatan jika berada pada pita valensi terisi?

2. Jelaskan mengapa kristal yang terdiri dari unsur-unsur golongan pertama merupakan konduktor yang baik?

3. Menurut Anda apakah hidrogen kristalin dapat diperoleh, apakah itu konduktor atau semikonduktor?

4. Mengapa masuknya atom pengotor yang termasuk golongan kelima sistem periodik unsur ke dalam silikon (germanium) menyebabkan munculnya elektron bebas pada pita konduksi?

5. Mengapa masuknya atom pengotor yang termasuk golongan ketiga sistem periodik unsur ke dalam silikon (germanium) menyebabkan munculnya lubang bebas pada pita konduksi?

Transistor

Perbaikan persimpangan semikonduktor

Transisi antar semikonduktor

Efek aula

Semikonduktor pengotor

Elektron dan lubang pada semikonduktor

Bab 12 SEMIKONDUKTOR

Hanya saja, jangan mencoba membuat tas terlalu sempit.

Salah satu penemuan paling luar biasa dan menarik dalam beberapa tahun terakhir adalah penerapan fisika benda padat pada pengembangan teknis sejumlah perangkat listrik seperti transistor. Studi tentang semikonduktor telah mengarah pada penemuan sifat-sifatnya yang bermanfaat dan banyak aplikasi praktis. Di bidang ini, segalanya berubah begitu cepat sehingga apa yang diberitahukan kepada Anda hari ini mungkin, dalam satu tahun, menjadi salah atau, dalam hal apa pun, tidak lengkap. Dan sangat jelas bahwa dengan mempelajari zat-zat tersebut secara lebih rinci, pada akhirnya kita akan mampu mencapai hal-hal yang jauh lebih menakjubkan. Anda tidak memerlukan materi dalam bab ini untuk memahami bab-bab berikutnya, namun Anda mungkin ingin melihat bahwa setidaknya sebagian dari apa yang telah Anda pelajari masih relevan dalam beberapa hal.

Ada banyak semikonduktor yang diketahui, namun kami akan membatasi diri pada semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam teknologi saat ini. Selain itu, mereka telah dipelajari lebih baik daripada yang lain, sehingga setelah memahaminya, sampai batas tertentu kita akan memahami banyak lainnya. Bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan saat ini adalah silikon dan germanium. Unsur-unsur ini mengkristal dalam kisi tipe berlian, struktur kubik di mana atom-atomnya memiliki ikatan empat kali lipat (tetrahedral) dengan tetangga terdekatnya. Pada suhu yang sangat rendah (mendekati nol mutlak) bahan-bahan tersebut bersifat isolator, meskipun pada suhu kamar bahan-bahan tersebut menghantarkan listrik sedikit. Ini bukan logam; mereka dipanggil semikonduktor.

Jika kita memasukkan elektron tambahan ke dalam kristal silikon atau germanium pada suhu rendah, maka apa yang dijelaskan pada bab sebelumnya akan muncul. Elektron seperti itu akan mulai berkeliaran di sekitar kristal, melompat dari tempat satu atom berdiri ke tempat atom lainnya berdiri. Kita hanya membahas perilaku atom dalam kisi persegi panjang, dan untuk kisi silikon atau germanium sesungguhnya persamaannya akan berbeda. Tapi segala sesuatu yang penting bisa menjadi jelas dari hasil kisi persegi panjang.

Seperti yang kita lihat di Bab. Dan energi elektron ini hanya dapat berada pada rentang nilai tertentu yang disebut zona konduksi. Pada zona ini energi berhubungan dengan bilangan gelombang k amplitudo probabilitas DENGAN[cm. (11.24)1 dengan rumus

Berbeda A- ini adalah amplitudo lompatan ke arah x, kamu dan z, dan a, b, c - ini adalah konstanta kisi (interval antar node) dalam arah ini.

Untuk energi di dekat bagian bawah zona, rumus (12.1) kira-kira dapat ditulis sebagai berikut:

(lihat Bab 11, § 4).

Jika kita tertarik pada pergerakan elektron ke arah tertentu, maka perbandingan komponen-komponennya k adalah sama sepanjang waktu, maka energinya merupakan fungsi kuadrat dari bilangan gelombang dan momentum elektron. Anda bisa menulis

di mana a adalah suatu konstanta, dan gambarkan grafik ketergantungannya E dari k(Gbr. 12.1).

Ara. 12.1. Diagram energi elektron dalam kristal isolator.

Kita akan menyebut grafik seperti itu sebagai “diagram energi”. Sebuah elektron dalam keadaan energi dan momentum tertentu dapat direpresentasikan pada grafik tersebut dengan sebuah titik ( S pada gambar).

Kami telah menyebutkan di Bab. 11, apa itu atau keadaan akan muncul jika kita kami akan menghapusnya elektron dari isolator netral. Kemudian elektron dari atom tetangga dapat melompat ke tempat ini. Dia akan mengisi “lubang” tersebut, dan dia akan meninggalkan “lubang” baru di tempat dia berdiri. Kita dapat mendeskripsikan perilaku ini dengan menentukan amplitudonya lubang akan berada di dekat atom tertentu, dan mengatakan itu lubang dapat melompat dari atom ke atom. (Dan jelas bahwa amplitudonya A bahwa lubang melompati atom A ke atom B, persis sama dengan amplitudo elektron dari atom B melompat ke dalam lubang dari atom a.)

Matematika untuk lubang sama dengan elektron tambahan, dan kita kembali menemukan bahwa energi lubang berhubungan dengan bilangan gelombangnya melalui persamaan yang sama persis dengan (12.1) dan (12.2), tetapi, tentu saja, dengan nilai numerik yang berbeda amplitudo Ax, Ay Dan Sebuah z. Sebuah lubang juga memiliki energi yang terkait dengan bilangan gelombang amplitudo probabilitasnya. Energinya terletak pada zona terbatas tertentu dan, di dekat bagian bawah zona, berubah secara kuadrat dengan meningkatnya jumlah gelombang (atau momentum) dengan cara yang sama seperti pada Gambar. 12.1. Mengulangi alasan kami di Bab. 11, §3, kita akan menemukannya lubang juga berperilaku seperti partikel klasik dengan massa efektif tertentu, satu-satunya perbedaan adalah bahwa pada kristal non-kubik, massa bergantung pada arah pergerakan. Jadi, lubangnya menyerupai partikel yang bermuatan positif bergerak melalui kristal. Muatan partikel lubang adalah positif karena terkonsentrasi di tempat yang tidak terdapat elektron; dan ketika bergerak ke satu arah, sebenarnya elektronlah yang bergerak ke arah berlawanan.

Jika beberapa elektron ditempatkan dalam kristal netral, pergerakannya akan sangat mirip dengan pergerakan atom dalam gas pada tekanan rendah. Jika jumlahnya tidak terlalu banyak, interaksinya bisa diabaikan. Jika Anda kemudian menerapkan medan listrik pada kristal, elektron akan mulai bergerak dan arus listrik akan mengalir. Pada prinsipnya, mereka harus berakhir di tepi kristal dan, jika ada elektroda logam di sana, pindah ke sana, meninggalkan kristal netral.

Elektron dan lubang dapat muncul di kristal secara bersamaan. Jika jumlahnya tidak terlalu banyak lagi, maka mereka akan mengembara secara mandiri. Dalam medan listrik, semuanya akan berkontribusi terhadap arus total. Untuk alasan yang jelas, elektron disebut pembawa negatif, dan lubang - pembawa positif.

Energi yang dibutuhkan untuk menempatkan elektron pada keadaan tersebut S(kami mengatakan: untuk “menciptakan” sebuah negara S),- ini adalah energi E - , ditunjukkan pada Gambar. 12.2.

Ara. 12.2, Energi E diperlukan untuk “kelahiran” gratis

elektron.

Ini adalah energi

melebihi E - menit . Energi yang dibutuhkan untuk "menciptakan" lubang di keadaan tertentu S", - ini adalah energi E+(Gbr. 12.3), yang merupakan pecahan lebih tinggi dari E (= E + menit ).

Ara. 12.3. Energi E + diperlukan untuk “kelahiran” lubang di keadaan S.”

Dan untuk menciptakan pasangan di negara bagian S Dan S", kamu hanya butuh energi E -+E+.

Pembentukan pasangan, seperti yang akan kita lihat nanti, merupakan proses yang sangat umum dan banyak orang memilih untuk menempatkan buah ara. 12.2 dan 12.3 per gambar, dan energi lubang menunda turun, meskipun, tentu saja, energi ini positif. Pada gambar. Pada Gambar 12.4 kami menggabungkan kedua grafik ini.

Ara. 12.4. Diagram energi elektron dan lubang.

Keuntungan dari jadwal seperti itu adalah energinya E pasangan =E - +E + , diperlukan untuk membentuk pasangan (elektron masuk S dan lubang masuk S'), secara sederhana diberikan oleh jarak vertikal antara S Dan S", seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12.4. Energi terkecil yang diperlukan untuk membentuk pasangan disebut lebar energi, atau lebar celah, dan sama dengan

e - menit +e+ menit.

Ara. 12.5. Diagram tingkat energi elektron dan hole.

Bagaimana pasangan elektron-lubang tercipta? Ada beberapa cara. Misalnya, foton cahaya (atau sinar-X)

dapat diserap dan membentuk pasangan, jika saja energi fotonnya lebih besar dari lebar energinya. Laju pembentukan pasangan sebanding dengan intensitas cahaya. Jika Anda menekan dua elektroda ke ujung kristal dan menerapkan tegangan “bias”, maka elektron dan lubang akan tertarik ke elektroda. Arus dalam rangkaian akan sebanding dengan intensitas cahaya. Mekanisme ini bertanggung jawab atas fenomena fotokonduktivitas dan pengoperasian fotosel. Pasangan elektron-lubang juga dapat dibentuk oleh partikel berenergi tinggi. Ketika partikel bermuatan bergerak cepat (misalnya proton atau pion dengan energi puluhan atau ratusan saya) terbang melalui kristal, medan listriknya dapat merobek elektron dari keadaan terikatnya, membentuk pasangan lubang elektron. Ratusan dan ribuan fenomena serupa terjadi pada setiap milimeter jejak. Setelah partikel lewat, pembawa dapat dikumpulkan dan dengan demikian menimbulkan impuls listrik. Berikut adalah mekanisme yang terjadi pada penghitung semikonduktor, yang baru-baru ini digunakan dalam eksperimen fisika nuklir. Untuk penghitung seperti itu, semikonduktor tidak diperlukan; mereka dapat dibuat dari isolator kristal. Inilah yang sebenarnya terjadi: penghitung pertama terbuat dari berlian, yang merupakan isolator pada suhu kamar. Namun kita membutuhkan kristal yang sangat murni jika kita menginginkan elektron dan lubang

Saya bisa meraih elektroda tanpa takut dicengkeram. Inilah sebabnya mengapa silikon dan germanium digunakan, karena sampel semikonduktor ini dengan ukuran yang wajar (sekitar satu sentimeter) dapat diperoleh dengan kemurnian tinggi.

Sampai saat ini, kita hanya menyentuh sifat-sifat kristal semikonduktor pada suhu sekitar nol mutlak. Pada suhu selain nol, terdapat mekanisme lain untuk menciptakan pasangan lubang elektron. Energi panas kristal dapat memberikan energi pada pasangan. Getaran termal kristal dapat mentransfer energinya ke pasangan, menyebabkan lahirnya pasangan secara “spontan”.

Probabilitas (per satuan waktu) bahwa energi mencapai kesenjangan energi E gap, akan terkonsentrasi pada lokasi salah satu atom, sebanding dengan exp(- E shcheyai /kT), Di mana T- suhu, dan k - Konstanta Boltzmann [lihat Bab. 40 (edisi 4)]. Mendekati nol mutlak, kemungkinan ini hampir tidak terlihat, namun seiring dengan kenaikan suhu, kemungkinan pembentukan pasangan tersebut meningkat. Pembentukan pasangan pada suhu tertentu harus terus berlanjut tanpa henti, menghasilkan semakin banyak pembawa positif dan negatif sepanjang waktu dengan laju konstan. Tentu saja hal ini tidak akan benar-benar terjadi, karena suatu saat elektron-elektron tersebut secara tidak sengaja akan bertemu kembali dengan lubang-lubang tersebut, elektron tersebut akan menggelinding ke dalam lubang tersebut, dan energi yang dilepaskan akan menuju ke kisi-kisi. Kita akan mengatakan bahwa elektron dan lubang “dimusnahkan”. Ada kemungkinan tertentu suatu lubang akan bertemu dengan elektron dan keduanya akan saling menghancurkan.

Jika jumlah elektron per satuan volume adalah N N (N berarti pembawa negatif, atau negatif), dan kepadatan pembawa positif (positif). Tidak, maka peluang sebuah elektron dan sebuah lubang bertemu dan musnah per satuan waktu sebanding dengan hasil kali N n N hal. Pada kesetimbangan, laju ini harus sama dengan laju pembentukan pasangan. Oleh karena itu, pada kesetimbangan produk N n N hal harus sama dengan hasil kali suatu konstanta dan faktor Boltzmann

Ketika kita berbicara tentang konstanta, yang kami maksud adalah perkiraan keteguhannya. Teori yang lebih lengkap, dengan mempertimbangkan berbagai rincian tentang bagaimana elektron dan lubang “menemukan” satu sama lain, menyatakan bahwa “konstanta” juga sedikit bergantung pada suhu; namun ketergantungan utama pada suhu masih bersifat eksponensial.

Mari kita ambil contoh suatu zat murni yang awalnya netral. Pada suhu yang terbatas kita dapat mengharapkan jumlah pembawa positif dan negatif sama, Tidak= tidak. Ini berarti bahwa masing-masing angka ini harus berubah seiring suhu . Perubahan banyak sifat semikonduktor (misalnya konduktivitasnya) terutama ditentukan oleh faktor eksponensial, karena semua faktor lainnya tidak terlalu bergantung pada suhu. Lebar celah untuk germanium kira-kira 0,72 setiap, dan untuk silikon 1.1 ev.

Pada suhu kamar k T adalah sekitar 1/40 ev. Pada suhu ini sudah terdapat cukup lubang dan elektron untuk memberikan konduktivitas yang nyata, sedangkan pada, katakanlah, 30°K (sepersepuluh suhu ruangan) konduksi tidak terdeteksi. Lebar slot berlian adalah 6-7 setiap, Oleh karena itu, pada suhu kamar, berlian merupakan isolator yang baik.

DI DALAM Dalam kristal germanium dan silikon murni, hubungan antar atom terjadi karena rotasi dua elektron milik dua atom yang berdekatan, satu per satu. orbit umum. Koneksi ini disebut berpasangan-elektronik , atau kovalen (Gbr. 10, A). Jerman dan silikon adalah unsur tetravalen, atomnya memiliki 4 elektron valensi, dan ikatan kovalen terbentuk antara empat atom yang bertetangga, seperti ditunjukkan pada Gambar. 10, B. Gambar ini menunjukkan ikatan kovalen berpasangan garis paralel, menghubungkan dua atom yang bertetangga, dan elektron yang membentuk ikatan ini adalah titik hitam (1) Elektron yang dihubungkan oleh ikatan kovalen tidak ikut serta dalam konduktivitas listrik semikonduktor. Agar konduktivitas listrik muncul (yaitu agar semikonduktor mampu menghantarkan arus listrik), beberapa ikatan kovalen perlu diputus. Elektron yang terbebas dari ikatan kovalen akan dapat bergerak bebas ke seluruh kristal semikonduktor dan ikut serta dalam konduktivitas listrik. Elektron yang demikian disebut bebas , atau elektron konduksi (Gbr. 10, V). Penghancuran ikatan kovalen terjadi ketika energi tambahan diberikan kepada elektron karena peningkatan suhu (pemanasan) semikonduktor, penyinaran cahaya dan pengaruh energi lainnya. Akibatnya, energi elektron bebas meningkat, dan tingkat energinya sesuai dengan tingkat energi pita konduksi.

Tempat pada orbit terluar suatu atom di mana elektron (atau, dengan kata lain, ikatan kovalen yang putus) sebelumnya berada disebut lubang. Pada diagram energi

Gambar 10. Model datar kisi kristal germanium dan silikon (a,b,c) dan diagram energinya (g)

lubang tersebut sesuai dengan tingkat energi bebas (2) di pita valensi, dari mana elektron berpindah ke pita konduksi (Gbr. 10, G). Sebuah atom yang kehilangan salah satu elektronnya memiliki muatan positif sebesar nilai absolut muatan elektron. Oleh karena itu, pembentukan lubang sama dengan pembentukan muatan positif р= +q(q ≈ 1,6 *10 -19 Cl - muatan elektron).

Pembentukan elektron bebas pada pita konduksi dan lubang pada pita valensi disebut pembangkitan pembawa muatan , atau pembentukan pasangan elektron-lubang , karena dalam semikonduktor (intrinsik) yang benar-benar murni, kemunculan elektron bebas pada pita konduksi tentu disertai dengan munculnya lubang pada pita valensi.

Sebuah elektron bebas dapat kehilangan sebagian energinya dan berpindah dari pita konduksi ke pita valensi, mengisi salah satu lubang di dalamnya. Dalam hal ini, ikatan kovalen dipulihkan. Proses ini disebut rekombinasi . Jadi, rekombinasi selalu disertai dengan hilangnya pasangan elektron-lubang.

Rekombinasi selalu berarti transisi elektron ke keadaan energi yang lebih rendah. Energi yang dilepaskan dalam hal ini dapat dipancarkan dalam bentuk kuantum cahaya (foton) atau diubah menjadi energi panas.

Selang waktu dari saat timbulnya pembawa muatan hingga rekombinasinya disebut waktu hidup, dan jarak yang ditempuhnya selama hidupnya adalah panjang difusi .

Konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor intrinsik.

Pada suhu melebihi -273,16 °C, semikonduktor selalu mengandung ikatan kovalen yang terputus, yaitu sejumlah elektron bebas dan jumlah lubang yang sama. Jumlah, atau konsentrasi, elektron bebas dan lubang bergantung pada celah pita ∆ Wn suhu: semakin kecil ∆, semakin besar W dan suhu yang lebih tinggi. Pada suhu tertentu, proses pembangkitan pembawa muatan diimbangi dengan proses rekombinasi. Keadaan semikonduktor ini disebut keseimbangan . Untuk semikonduktor yang terletak di keadaan setimbang, konsentrasi elektron bebas N , sama dengan konsentrasi lubang R , (subskrip / sesuai dengan semikonduktor murni, atau intrinsik) dalam pita valensi, dan dapat ditulis

ni pi = ni2 = pi2 = konstanta.