Pengertian Semikonduktor dan contoh bahan

Semikonduktor adalah setiap kelas padatan kristal dengan konduktivitas listrik menengah antara konduktor dan isolator. Semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan berbagai macam perangkat elektronik, termasuk dioda, transistor, dan sirkuit terpadu (IC).

Perangkat tersebut telah menemukan aplikasi luas karena kekompakan mereka, keandalan, efisiensi daya, dan biaya rendah. Sebagai komponen diskrit, mereka telah banyak digunakan dalam perangkat listrik, sensor optik, dan emitter cahaya, termasuk laser solid-state. Mereka memiliki berbagai kemampuan penanganan arus dan tegangan dan, yang lebih penting, meminjamkan diri untuk berintegrasi ke dalam sirkuit mikroelektronik kompleks tetapi mudah dibuat.

Mereka, dan di masa mendatang, akan menjadi elemen kunci bagi mayoritas sistem elektronik, melayani komunikasi, pemrosesan sinyal, komputasi, dan aplikasi kontrol baik pada pasar konsumen dan industri.

Bahan semikonduktor

Bahan solid-state umumnya dikelompokkan menjadi tiga kelas: isolator, semikonduktor, dan konduktor. (Pada suhu rendah beberapa konduktor, semikonduktor, dan isolator dapat menjadi superkonduktor.) Angka ini menunjukkan konduktivitas σ (dan resistivitas yang sesuai ρ = 1 / σ) yang berkaitan dengan beberapa bahan penting dalam masing-masing tiga kelas.Semikonduktor
Isolator, seperti leburan kuarsa dan kaca, memiliki konduktivitas yang sangat rendah, 10-18 sampai 10-10 siemens per sentimeter; dan konduktor, seperti aluminium, memiliki konduktivitas tinggi, biasanya 104-106 siemens per sentimeter. Konduktivitas semikonduktor yang ekstrem dan umumnya sensitif terhadap suhu, pencahayaan, medan magnet, dan sejumlah kecil atom pengotor. Misalnya, penambahan sekitar 10 atom boron (dikenal sebagai dopan) per juta atom silikon dapat meningkatkan konduktivitas listrik sampai seribu kali lipat.

Bahan semikonduktor

Bahan solid-state umumnya dikelompokkan menjadi tiga kelas: isolator, semikonduktor, dan konduktor. (Pada suhu rendah beberapa konduktor, semikonduktor, dan isolator dapat menjadi superkonduktor.) Gambar tersebut menunjukkan konduktivitas σ (dan resistivitas yang sesuai ρ = ​​1 / σ) yang dikaitkan dengan beberapa bahan penting di masing-masing dari tiga kelas.

Tiga gambar ikatan semikonduktor.
Tiga gambar ikatan semikonduktor.

Insulator, seperti kuarsa dan kaca leburan, memiliki konduktivitas yang sangat rendah, pada urutan 10-18 hingga 10-10 siemens per sentimeter; dan konduktor, seperti aluminium, memiliki konduktivitas tinggi, biasanya dari 104 hingga 106 siemens per sentimeter. Konduktivitas semikonduktor berada di antara ekstrem ini dan umumnya peka terhadap suhu, iluminasi, medan magnet, dan jumlah atom pengotor yang kecil. Sebagai contoh, penambahan sekitar 10 atom boron (dikenal sebagai dopan) per juta atom silikon dapat meningkatkan konduktivitas listriknya seribu kali lipat (sebagian bertanggung jawab atas variabilitas luas yang ditunjukkan pada gambar sebelumnya).

Studi tentang bahan semikonduktor dimulai pada awal abad ke-19. Semikonduktor unsur adalah yang terdiri dari spesies atom tunggal, seperti silikon (Si), germanium (Ge), dan timah (Sn) di kolom IV dan selenium (Se) dan telurium (Te) di kolom VI dari tabel periodik. Namun, ada banyak semikonduktor majemuk, yang terdiri dari dua unsur atau lebih.

Gallium arsenida (GaAs), misalnya, adalah senyawa biner III-V, yang merupakan kombinasi dari gallium (Ga) dari golongan III dan arsenik (As) dari golongan V. Senyawa ternary dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari tiga kolom yang berbeda— misalnya, merkuri indium tellurida (HgIn2Te4), senyawa II-III-VI. Mereka juga dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari dua golongan, seperti aluminium gallium arsenida (AlxGa1 – xAs), yang merupakan senyawa terner III-V, di mana kedua Al dan Ga berasal dari golongan III dan subskrip x terkait dengan komposisi dua unsur dari 100 persen Al (x = 1) hingga 100 persen Ga (x = 0). Silikon murni adalah bahan yang paling penting untuk aplikasi rangkaian terintegrasi, dan senyawa biner dan terner III-V paling signifikan untuk emisi cahaya.

Gerakan lubang elektron dalam kisi kristal
Gerakan lubang elektron dalam kisi kristal

Sebelum penemuan transistor bipolar pada tahun 1947, semikonduktor hanya digunakan sebagai perangkat dua terminal, seperti penyearah dan fotodioda. Selama awal 1950-an germanium adalah bahan semikonduktor utama. Namun, itu terbukti tidak cocok untuk banyak aplikasi, karena perangkat yang terbuat dari bahan menunjukkan arus bocor tinggi pada suhu yang cukup tinggi.

Sejak awal 1960-an silikon telah menjadi semikonduktor yang paling banyak digunakan, hampir menggantikan germanium sebagai bahan untuk pembuatan perangkat. Alasan utama untuk ini ada dua: (1) perangkat silikon menunjukkan arus bocor jauh lebih rendah, dan (2) silikon dioksida (SiO2), yang merupakan isolator berkualitas tinggi, mudah untuk dimasukkan sebagai bagian dari perangkat berbasis silikon. Dengan demikian, teknologi silikon telah menjadi sangat maju dan menyebar, dengan perangkat silikon merupakan lebih dari 95 persen dari semua produk semikonduktor yang dijual di seluruh dunia.

Banyak senyawa semikonduktor memiliki beberapa sifat listrik dan optik tertentu yang lebih unggul daripada rekan-rekan mereka dalam silikon. Semikonduktor ini, terutama gallium arsenida, digunakan terutama untuk aplikasi optoelektronik dan frekuensi radio tertentu (RF).

Sifat elektronik

Bahan semikonduktor yang dijelaskan di sini adalah kristal tunggal; yaitu, atom-atom disusun secara periodik tiga dimensi. Bagian A dari gambar menunjukkan representasi dua dimensi yang disederhanakan dari kristal silikon intrinsik (murni) yang mengandung pengotor yang dapat diabaikan. Setiap atom silikon dalam kristal dikelilingi oleh empat tetangga terdekatnya. Setiap atom memiliki empat elektron di orbit luarnya dan berbagi elektron ini dengan empat tetangganya.

Setiap pasangan elektron bersama membentuk ikatan kovalen. Gaya tarik-menarik antara elektron dan kedua inti menyatukan kedua atom. Untuk atom terisolasi (mis., Dalam gas daripada kristal), elektron hanya dapat memiliki tingkat energi diskrit. Namun, ketika sejumlah besar atom disatukan untuk membentuk kristal, interaksi antara atom menyebabkan tingkat energi diskrit menyebar ke pita energi.

Ketika tidak ada getaran termal (mis., Pada suhu rendah), elektron dalam isolator atau kristal semikonduktor akan sepenuhnya mengisi sejumlah pita energi, meninggalkan sisa pita energi kosong. Pita terisi tertinggi disebut pita valensi. Pita berikutnya adalah pita konduksi, yang dipisahkan dari pita valensi oleh celah energi (gap yang jauh lebih besar pada isolator kristal daripada pada semikonduktor). Gap energi ini, juga disebut celah pita, adalah daerah yang menunjuk energi yang tidak dimiliki elektron dalam kristal. Sebagian besar semikonduktor penting memiliki celah pita di kisaran 0,25 hingga 2,5 elektron volt (eV). Celah pita silikon, misalnya, adalah 1,12 eV, dan gallium arsenida adalah 1,42 eV. Sebaliknya, celah pita berlian, isolator kristal yang baik, adalah 5,5 eV.

Konduksi listrik pada semikonduktor intrinsik cukup buruk pada suhu kamar. Untuk menghasilkan konduksi yang lebih tinggi, seseorang dapat dengan sengaja memasukkan pengotor (biasanya pada konsentrasi satu bagian per juta atom inang). Ini disebut doping, suatu proses yang meningkatkan konduktivitas meskipun ada beberapa kehilangan mobilitas. Misalnya, jika atom silikon diganti oleh atom dengan lima elektron terluar, seperti arsenik (lihat bagian B dari gambar), empat elektron membentuk ikatan kovalen dengan empat atom silikon yang berdekatan.

Elektron kelima menjadi elektron konduksi yang disumbangkan ke pita konduksi. Silikon menjadi semikonduktor tipe-n karena penambahan elektron. Atom arsenik adalah donor. Demikian pula, bagian C dari gambar menunjukkan bahwa, jika sebuah atom dengan tiga elektron terluar, seperti boron, disubstitusi untuk atom silikon, elektron tambahan diterima untuk membentuk empat ikatan kovalen di sekitar atom boron, dan hole bermuatan positif adalah dibuat di pita valensi. Ini menciptakan semikonduktor tipe-p, dengan boron merupakan akseptor.

Leave a Comment

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *