Kristal, pita energi, dan bahan elektronik

Yang akan kamu pelajari

• Kristal
• Kisi
• Fonon
• Sifat listrik
• Konduktor
• Isolator
• Semikonduktor
• Bahan magnetik
• Fenomena zat padat
• Materi terkondensasi
• Fisika bahan

Pahami konsepnya

Kristal mempunyai keteraturan periodik; lattice adalah pola titik translasi, dan basis menjelaskan isi tiap titik. Fonon adalah kuanta mode getaran kolektif kisi, bukan atom kecil yang berpindah. Struktur pita energi membantu membedakan logam, isolator dan semikonduktor.

Konduktor memiliki state tersedia dekat energi Fermi; gap dan pengisian pita menghambat konduksi pada isolator. Doping semikonduktor mengubah konsentrasi pembawa elektron atau hole. Bahan magnetik dapat menunjukkan diamagnetisme, paramagnetisme atau keteraturan seperti ferromagnetisme.

Analisis lanjut

Potensial periodik memberi state Bloch ψ_nk=e^(ik·r)u_nk. Kelajuan grup (1/ℏ)∇_kE dan massa efektif berkaitan kelengkungan pita. Konduktivitas sederhana σ=nqμ menjelaskan peran konsentrasi dan mobilitas, bukan hanya banyaknya elektron total.

Hamburan phonon/impuritas memengaruhi resistivitas. Teori pita satu elektron tidak cukup bagi semua bahan berkorelasi kuat; parameter suhu, cacat dan dimensi juga penting.

Pendalaman: Pembawa dan mobilitas

Pada model Drude, kecepatan hanyut rata-rata v_d=qEτ/m* memberi J=nqv_d=nq²τE/m*, sehingga σ=nq²τ/m*. Nilai mobilitas μ=|q|τ/m* merangkum respons. Model ini menjelaskan pola sederhana tetapi tidak seluruh efek band, degenerasi, lokalisasi atau interaksi kuat.

Hole adalah cara menggambarkan kekosongan pada pita hampir penuh, bukan positron yang berada dalam bahan. Tugas: sebutkan dua alasan mengapa meningkatkan jumlah dopan dapat menambah n tetapi menurunkan mobilitas.

Contoh terurai

Jika konsentrasi pembawa n digandakan sementara q dan mobilitas μ tetap, σ=nqμ menjadi dua kali dan resistivitas menjadi setengah. Namun doping nyata juga dapat mengubah μ, sehingga perhitungan ini merupakan prediksi bersyarat, bukan hukum bahwa semua doping menggandakan konduksi.

Coba, amati, jelaskan

Gambar lattice dua dimensi dan dua atom sebagai basis. Bedakan translasi kisi dari gerak getaran atom. Buat diagram pita sederhana dengan pita valensi, gap dan pita konduksi.

Cek pemahaman

Fonon adalah kuanta dari apa?

• Getaran kolektif kisi
• Muatan proton
• Orbit planet

Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.