Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator listrik dan konduktor listrik. Bahan semikonduktor terdiri dari 4 elektron valensi. Jenis bahan semikondutor yang umum digunakan ialah karbon, germanium, dan silikon. Berdasarkan jenis dopingnya, bahan semikonduktor terbagi menjadi dua tipe yaitu tipe P dan tipe N. Suatu semikonduktor bersifat sebagai isolator listrik jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan nilai besaran arus listrik tertentu. Namun pada temperatur, arus listirk, tata cara dan persyaratan kerja tertentu, semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spesifikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Semikonduktor digunakan pada berbagai alat semikonduktor.

Ingt silikon monokristalin.

Kristal silikon adalah bahan semikonduktor yang paling umum digunakan dalam mikroelektronika dan fotovoltaik atau bisa juga sebagai bahan serat optik.

Sifat kelistrikan suatu material, termasuk semikonduktor, dapat dijelaskan dengan menggunakan diagram pita energi. Diagram pita energi menjelaskan bahwa dari sekumpulan atom-atom yang terkumpul rapi membentuk struktur kristal tertentu, hanya ada sejumlah tingkat energi yang dapat ditempati oleh elektron. Elektron akan menempati tingkat energi yang rendah terlebih dahulu. Pita terakhir yang diisi oleh elektron disebut pita valensi. Sejumlah tingkat energi setelah pita valensi disebut pita konduksi. Jarak antara tingkat energi terendah di pita konduksi dan tingkat energi tertinggi di pita valensi disebut celah pita. Pada silikon, celah pita ini bernilai 1.1 eV.

Material semikonduktor yang terdiri dari unsur-unsur yang sama disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor intrinsik ini memiliki sifat-sifat listrik tertentu pada suhu tertentu, misalnya jumlah muatan pembawa. Pada aplikasinya, kita ingin merekayasa jumlah muatan pembawa ini dengan cara selain mengubah suhu, misalnya dengan melakukan doping pada semikonduktor intrinsik. Semikonduktor intrinsik yang telah terdoping ini disebut semikonduktor ekstrinsik.

Bahan listrik isolator, konduktor, dan semikonduktor

Bahan berdasarkan konduktivitas listriknya dibedakan menjadi isolator, konduktor, dan semikonduktor. Konduktivitas adalah sifat yang memungkinkan suatu bahan untuk menghantarkan listrik.

Isolator

Dilansir dari Encyclopaedia Britannica, isolator adalah bahan yang menghalangi arus listrik sehingga tidak bisa menghantarkan listrik. Terlihat pada gambar bahwa bahan isolator memiliki bandgap atau jurang pembatas dimana elektron tidak cukup kuat untuk melompatinya sehingga aliran listrik terhenti. Yang termasuk bahan isolator adalah bahan dengan konduktivitas sangat rendah seperti kertas, plasti, batu-bata, karet, mika, dan udara. Pernahkah kamu tersengat listrik karena kabel yang terkelupas? Bagian yang terkelupas tersebut adalah isolator yang terbuat dari karet. Isolator menjaga agar listrik tidak bocor keluar sehingga tidak membahayakan makhluk hidup. Selain itu isolator juga berfungsi mengisolasi komponen elektronik sehingga tidak ada arus yang bercampur dan alat elektronik dapat bekerja dengan baik.

Konduktor

Konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik kaena memiliki konduktivitas tinggi. Konduktor memiliki konduktivitas tinggi karena memiliki pita energi yang tidak terputus atau kontinu. Terlihat pada gambar, pita energi konduktor tidak terpisah sehingga elektron akan terus lewat tanpa hambatan dan arus listrik terus mengalir. Dilansir dari ThoughtCo, bahan yang termasuk konduktor lemah dalah perak, emas, tembaga, alumunium, air raksa, baja, besi, larutan elektrolit seperti air laut, dan air raksa. Adapun yang termasuk konduktor kuat adalah platinum, kuningan, perunggu, grafik, dan larutan elektrolit kuat seperti air lemon. Arus listrik dari pembangkit listrik mengalir melalui kabel dengan konduktor didalamnya sehingga bisa sampai ke rumahmu.

Semi-Konduktor

Semikonduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik dalam kondisi tertentu. Dilansir dari Lumen Learning, semikonduktor terdiri dari dua jenis yaitu intrinsik dan ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik hanya terdiri dari satu bahan seperti silikon, selenium, atau germanium. Pada semikonduktor intrinsik dapat menghantarkan listrik saat diberikan panas. Panas memberikan tambahan energi pada elektron untuk meloncati jurang bandgap semikonduktor yang tidak terlalu jauh. Sedangkan semikonduktor ektrinsik terdiri dari dua bahan, yaitu tipe p atau positif dan tipe n atau negatif yang tergabung. Semikonduktor tipe n memiliki kelebihan satu elektron valesnsi sehingga mampu melepaskan elektron. Adapun semikonduktor tipe p adalah pembawa muatan bebas atau dapat dibilang memiliki lubang. Saat diberikan arus listrik, elektron dari tipe n akan mengisi lubang-lubang pada tipe p membuat arus dapat mengalir melewati band gap atau jurang kecil semikonduktor.

p–n junction

Atom silikon diamati pada permukaan kristal silikon karbida (SIC) menggunakan Scanning Tunneling Microscope (STM)

Dioda PN yang menampilkan simbol listrik yang terkait dengannya. Segitiga sesuai dengan sisi p, sedangkan sisi lainnya adalah sisi n.

Pengisian status elektronik dalam berbagai jenis material pada kesetimbangan. Di sini, tinggi adalah energi sedangkan lebar adalah kerapatan status yang tersedia untuk energi tertentu dalam material yang tercantum. Bayangan mengikuti distribusi Fermi–Dirac (hitam: semua status terisi, putih: tidak ada status yang terisi). Dalam logam dan semilogam, level Fermi EF terletak di dalam setidaknya satu pita.

p–n junction adalah kombinasi dua jenis bahan semikonduktor, tipe-p dan tipe-n, dalam satu kristal,. Sisi "n" (negatif) berisi elektron yang bergerak bebas, sedangkan sisi "p" (positif) berisi lubang elektron yang bergerak bebas,. Penggabungan kedua material menyebabkan terciptanya daerah penipisan di dekat batas, karena elektron bebas mengisi lubang yang tersedia, yang pada gilirannya memungkinkan arus listrik melewati persimpangan hanya dalam satu arah.

sambungan p–n mewakili kasus paling sederhana dari perangkat elektronik semikonduktor ; sambungan pn dengan sendirinya, bila dihubungkan pada kedua sisi ke suatu rangkaian, adalah dioda,. Komponen rangkaian yang lebih kompleks dapat dibuat dengan kombinasi lebih lanjut dari semikonduktor tipe-p dan tipe-n; misalnya transistor sambungan bipolar (BJT) adalah semikonduktor dalam bentuk n–p–n atau p–n–p. Kombinasi perangkat semikonduktor tersebut pada satu chip memungkinkan terciptanya sirkuit terpadu,.

Sel surya dan dioda pemancar cahaya (LED) pada dasarnya adalah sambungan pn tempat bahan semikonduktor dipilih, dan geometri komponen dirancang, untuk memaksimalkan efek yang diinginkan (penyerapan atau emisi cahaya). Persimpangan Schottky mirip dengan persimpangan ap – n, di mana alih-alih semikonduktor tipe-n, logam secara langsung berperan sebagai penyedia muatan "negatif".

Penemuan persimpangan p–n biasanya dikaitkan dengan fisikawan Amerika Russell Ohl dari Bell Laboratories pada tahun 1939. Dua tahun kemudian (1941), Vadim Lashkaryov melaporkan penemuan persimpangan p–n pada fotosel Cu 2 O dan perak sulfida dan penyearah selenium. Teori modern sambungan pn dijelaskan oleh William Shockley dalam karya klasiknya Electrons and Holes in Semiconductors (1950).

Fisika semikonduktor

Semikonduktor didefinisikan oleh perilaku konduktif listriknya yang unik, di antara konduktor dan isolator. Perbedaan antara bahan-bahan ini dapat dipahami dalam hal keadaan kuantum untuk elektron, yang masing-masing dapat berisi nol atau satu elektron (dengan prinsip pengecualian Pauli). Keadaan ini dikaitkan dengan struktur pita elektronik bahan. Konduktivitas listrik muncul karena adanya elektron dalam keadaan yang terdelokalisasi (memanjang melalui bahan), namun untuk mengangkut elektron, suatu keadaan harus terisi sebagian, yang hanya berisi elektron sebagian dari waktu. Jika keadaan selalu ditempati oleh elektron, maka keadaan itu inert, menghalangi lewatnya elektron lain melalui keadaan itu. Energi dari keadaan kuantum ini sangat penting karena suatu keadaan terisi sebagian hanya jika energinya mendekati tingkat Fermi (lihat statistik Fermi–Dirac).

Konduktivitas tinggi pada material berasal dari material yang memiliki banyak keadaan terisi sebagian dan banyak delokalisasi keadaan. Logam merupakan konduktor listrik yang baik dan memiliki banyak keadaan terisi sebagian dengan energi yang mendekati level Fermi. Sebaliknya, isolator memiliki sedikit keadaan terisi sebagian, level Fermi berada dalam celah pita dengan sedikit keadaan energi yang harus ditempati. Yang penting, isolator dapat dibuat menghantarkan listrik dengan meningkatkan suhunya: pemanasan menyediakan energi untuk mendorong beberapa elektron melintasi celah pita, yang menginduksi keadaan terisi sebagian baik di pita keadaan di bawah celah pita (pita valensi) maupun pita keadaan di atas celah pita (pita konduksi). Semikonduktor (intrinsik) memiliki celah pita yang lebih kecil daripada isolator dan pada suhu ruangan, sejumlah besar elektron dapat tereksitasi untuk melintasi celah pita.

Namun, semikonduktor murni tidak terlalu berguna, karena bukan isolator atau konduktor yang sangat baik. Namun, satu fitur penting dari semikonduktor (dan beberapa isolator, yang dikenal sebagai semi-isolator) adalah konduktivitasnya dapat ditingkatkan dan dikontrol dengan mendoping pengotor dan menggerakkannya dengan medan listrik. Doping dan menggerakkannya menggerakkan pita konduksi atau pita valensi lebih dekat ke level Fermi dan sangat meningkatkan jumlah keadaan yang terisi sebagian.

Beberapa bahan semikonduktor dengan celah pita yang lebih lebar terkadang disebut sebagai semi-isolator. Ketika tidak didoping, bahan ini memiliki konduktivitas listrik yang lebih dekat dengan isolator listrik, namun bahan ini dapat didoping (sehingga sama bermanfaatnya dengan semikonduktor). Semi-isolator memiliki aplikasi khusus dalam mikroelektronika, seperti substrat untuk HEMT. Contoh semi-isolator yang umum adalah galium arsenida. Beberapa bahan, seperti titanium dioksida, bahkan dapat digunakan sebagai bahan isolasi untuk beberapa aplikasi, sementara diperlakukan sebagai semikonduktor celah lebar untuk aplikasi lain.

Jenis

Representasi doping tipe N dan P.

Struktur dioda

Diagram sederhana dari pertemuan P-N.

Representasi skema persimpangan p-n.

Transistor BJT.

Operasi dasar transistor NPN.

Operasi Dasar NPN BJT (Aktif).

Skema transistor efek medan n-junction

Struktur sambungan MOSFET

transistor efek medan persimpangan, JFET

Mengubah penampang saluran aktif pada transistor JFET.

Semikonduktor intrinsik yang telah terdoping disebut semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor ekstrinsik dapat dibedakan berdasarkan golongan atom doping.

Semikonduktor tipe P

Semikonduktor tipe P merupakan semikonduktor dengan jumlah elektron yang sangat sedikit. Bahan pembuatan semikonduktor tipe P adalah campuran atom germanium dan atom indium atau atom-atom lain yang memiliki 3 elektron valensi, e.g., boron, aluminium, galium. Semikonduktor tipe P bermuatan positif karena indium memiliki lebih sedikit elektron dibandingkan dengan germanium.

Semikonduktor tipe N

Semikonduktor tipe N merupakan semikonduktor dengan jumlah elektron yang sangat banyak. Bahan pembuatan semikonduktor tipe N adalah campuran atom germanium dan atom arsen atau atom-atom lain yang memiliki 5 elektron valensi, e.g. fosfor, arsen, antimoni. Semikonduktor tipe N bermuatan negatif karena arsenikum memiliki lebih banyak elektron dibandingkan dengan germanium.

Jenis semikonduktor dalam tabel periodik unsur

Bahan semikonduktor beberapa elemen kolom III, IV dan V dari tabel periodik, yang dicirikan oleh resistivitas listrik antara konduktor yang sangat rendah dan isolator yang sangat tinggi. Semikonduktor dapat terdiri dari satu atom kolom keempat (semikonduktor unsur: Si, Ge) atau dapat berupa kombinasi unsur-unsur kolom III dan V atau II dan VI (semikonduktor gabungan).

Tabel di bawah ini memberikan informasi tentang sejumlah besar elemen semikonduktor dan hubungannya, dibagi menjadi beberapa jenis:

• semikonduktor unsur tunggal golongan IV tabel periodik unsur ,
• kompleks: dua unsur A III B V dan A II B VI masing-masing dari golongan unsur ketiga dan kelima serta dari golongan unsur kedua dan keenam.

Semua jenis semikonduktor mempunyai ketergantungan yang menarik antara band gap terhadap periode, yaitu dengan bertambahnya periode maka band gap semakin berkurang.

Group	IIB	IIIA	IVA	VA	VIA
Periode
2		5 B	6 C	7 N
3		13 Al	14 Si	15 P	16 S
4	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se
5	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te
6	80 Hg

Sifat kelistrikan

Arus listrik

Kuat arus listrik pada bahan semikonduktor tidak dapat diketahui secara tepat melalui hukum Ohm. Penerapan hukum Ohm hanya berlaku bagi rangkaian listrik yang memiliki arus listrik yang selalu berbanding lurus dengan nilai tegangan listrik yang bekerja. Sebaliknya, bahan semikonduktor tidak selalu memiliki kuat arus listrik yang berada dalam fungsi linear terhadap tegangan listrik yang berlaku. Arus listrik yang mengair melalui bahan semikonduktor dapat menngalami fungsi linear, fungsi kuadrat atau fungsi kubik terhadap nilai tegangan listrik yang bekerja. Pada bahan semikonduktor berlaku efek Hall yang menentukan kerapatan arus listrik yang dinyatakan dalam muatan per satuan volume. Nilai tegangan listrik pada bahan semikonduktor ditentukan oleh pemusatan dari muatan-muatan listrik yang terbawa ke dalam bahan listrik.

Hukum kelistrikan

Hukum Child

Hukum Child berlaku pada semikonduktor yang hanya memiliki pembawa muatan dalam jumlah yang sangat sedikit. Selain itu, hukum Child hanya berlaku untuk arus listrik yang terbentuk akibat adanya muatan ruang di dalam semikonduktor. Pada semikonduktor, hukum Child hanya diterpakan pada arus listrik yang dihasilkan oleh pembawa muatan hasil injeksi dari elektrode.

Doping Semikonduktor

Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor

SEM image of a photoresist layer used in semiconductor manufacturing taken on a field electron emission SEM. These SEMs are important in the semiconductor industry for their high-resolution capabilities.

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopan.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat sering kali digunakan sebagai pengganti logam.

Dalam produksi semikonduktor, doping adalah memasukkan pengotor yang disengaja ke dalam semikonduktor intrinsik (tidak didoping) untuk tujuan memodulasi sifat listrik, optik, dan strukturalnya. Bahan yang diolah disebut sebagai semikonduktor ekstrinsik.

Sejumlah kecil atom dopan dapat mengubah kemampuan semikonduktor dalam menghantarkan listrik. Bila urutan satu atom dopan ditambahkan per 100 juta atom, dopingnya dikatakan rendah atau ringan. Ketika lebih banyak atom dopan ditambahkan, dengan urutan satu per sepuluh ribu atom, doping tersebut disebut sebagai doping tinggi atau berat. Hal ini sering ditampilkan sebagai n+ untuk doping tipe-n atau p+ untuk doping tipe-p. (Lihat artikel tentang semikonduktor untuk penjelasan lebih rinci mengenai mekanisme doping). Semikonduktor yang didoping sedemikian rupa sehingga bertindak lebih seperti konduktor daripada semikonduktor disebut sebagai semikonduktor degenerasi. Suatu semikonduktor dapat dianggap sebagai semikonduktor tipe-i jika telah didoping dengan jumlah p dan n yang sama.

Dalam konteks fosfor dan sintilator, doping lebih dikenal dengan istilah aktivasi ; ini berbeda dengan aktivasi dopan di semikonduktor. Doping juga digunakan untuk mengontrol warna pada beberapa pigmen dan dianggap penting dalam spektroskopi, di mana jumlah pembawa muatan intrinsik dapat dikontrol seperti yang diberikan oleh persamaan (nh×ne) =(ni)^2. [{nh-jumlah lubang}; {satu-jumlah elektron}; {ni-jumlah pembawa muatan intrinsik } (Sumber : NCERT FISIKA KELAS 12)

Teknik doping dan sintesis

Doping selama pertumbuhan kristal

Beberapa dopan ditambahkan saat boule (biasanya silikon) ditumbuhkan dengan metode Czochralski, memberikan setiap wafer doping awal yang hampir seragam.

Sebagai alternatif, sintesis perangkat semikonduktor mungkin melibatkan penggunaan epitaksi fase uap. Dalam epitaksi fase uap, gas yang mengandung prekursor dopan dapat dimasukkan ke dalam reaktor. Misalnya, dalam kasus doping gas tipe-n dari galium arsenida, hidrogen sulfida ditambahkan, dan belerang dimasukkan ke dalam struktur. Proses ini ditandai dengan konsentrasi belerang yang konstan di permukaan. Dalam kasus semikonduktor pada umumnya, hanya lapisan wafer yang sangat tipis yang perlu didoping untuk mendapatkan sifat elektronik yang diinginkan.

Doping pasca-pertumbuhan

Untuk menentukan elemen rangkaian, area yang dipilih - biasanya dikontrol oleh fotolitografi- selanjutnya diolah dengan proses seperti difusi dan implantasi ion, metode terakhir ini lebih populer dalam proses produksi besar karena peningkatan pengendalian.

Kaca putar

Spin-on glass atau doping dopan spin-on adalah proses dua langkah yaitu pengaplikasian campuran SiO 2 dan dopan (dalam pelarut) ke permukaan wafer dengan cara spin-coating kemudian dilucuti dan dipanggang pada suhu tertentu di tungku pada aliran nitrogen+oksigen konstan.

Elemen dopan

Semikonduktor golongan IV

(Catatan: Saat membahas golongan tabel periodik, fisikawan semikonduktor selalu menggunakan notasi lama, bukan notasi golongan IUPAC saat ini. Misalnya, gugus karbon disebut "Grup IV", bukan "Grup 14").

Untuk semikonduktor Golongan IV seperti intan, silikon, germanium, silikon karbida, dan silikon-germanium, dopan yang paling umum adalah akseptor dari Golongan III atau donor dari unsur-unsur Golongan V. Boron, arsenik, fosfor, dan kadang-kadang galium digunakan untuk membuat silikon. Boron adalah dopan tipe-p pilihan untuk produksi sirkuit terpadu silikon karena ia berdifusi dengan kecepatan yang membuat kedalaman sambungan mudah dikontrol. Fosfor biasanya digunakan untuk doping massal wafer silikon, sedangkan arsenik digunakan untuk menyebarkan sambungan, karena ia berdifusi lebih lambat daripada fosfor sehingga lebih terkendali.

Dengan mendoping silikon murni dengan unsur-unsur Golongan V seperti fosfor, elektron valensi ekstra ditambahkan sehingga menjadi tidak terikat pada atom-atom individual dan memungkinkan senyawa tersebut menjadi semikonduktor tipe-n yang konduktif secara elektrik. Doping dengan unsur Golongan III, yang kehilangan elektron valensi keempat, menciptakan "ikatan putus" (lubang) pada kisi silikon yang bebas bergerak. Hasilnya adalah semikonduktor tipe-p yang konduktif secara elektrik. Dalam konteks ini, unsur Golongan V dikatakan berperilaku sebagai donor elektron, dan unsur Golongan III sebagai akseptor. Ini adalah konsep kunci dalam fisika dioda.

Semikonduktor yang didoping sangat berat berperilaku lebih seperti konduktor yang baik (logam) dan dengan demikian menunjukkan koefisien termal positif yang lebih linier. Efek tersebut digunakan misalnya pada sensor. Doping dosis rendah digunakan pada termistor jenis lain (NTC atau PTC).

Dopan silikon

• Akseptor, tipe-p
  • Boron adalah dopan tipe-p. Laju difusinya memungkinkan kontrol kedalaman sambungan dengan mudah. Umum dalam teknologi CMOS. Dapat ditambahkan dengan difusi gas diborana. Satu-satunya akseptor dengan kelarutan yang cukup untuk penghasil emisi yang efisien dalam transistor dan aplikasi lain yang memerlukan konsentrasi dopan yang sangat tinggi. Boron berdifusi secepat fosfor.
  • Aluminium, digunakan untuk difusi p dalam. Tidak populer di VLSI dan ULSI. Juga merupakan pengotor umum yang tidak disengaja.
  • Gallium adalah dopan yang digunakan untuk detektor silikon fotokonduksi inframerah panjang gelombang panjang di jendela atmosfer 8–14 μm. Silikon yang didoping Gallium juga menjanjikan untuk sel surya, karena masa pakai pembawa minoritasnya yang panjang tanpa degradasi seumur hidup; oleh karena itu, hal ini menjadi penting sebagai pengganti substrat yang didoping boron untuk aplikasi sel surya.
  • Indium adalah dopan yang digunakan untuk detektor silikon fotokonduksi inframerah panjang gelombang panjang di jendela atmosfer 3–5 μm.
• Donor, tipe-n
  • Fosfor adalah dopan tipe-n. Ini berdifusi dengan cepat, sehingga biasanya digunakan untuk doping massal, atau untuk pembentukan sumur. Digunakan dalam sel surya. Dapat ditambahkan dengan difusi gas fosfin. Doping massal dapat dicapai dengan transmutasi nuklir, dengan iradiasi silikon murni dengan neutron dalam reaktor nuklir. Fosfor juga memerangkap atom emas, yang sebaliknya akan berdifusi dengan cepat melalui silikon dan bertindak sebagai pusat rekombinasi.

    

    Doping susunan silikon murni. Semikonduktor intrinsik berbasis silikon menjadi ekstrinsik ketika pengotor seperti Boron dan Antimon dimasukkan.

  • Arsenik adalah dopan tipe-n. Difusinya yang lebih lambat memungkinkan penggunaannya untuk persimpangan yang tersebar. Digunakan untuk lapisan yang terkubur. Memiliki jari-jari atom yang mirip dengan silikon, konsentrasi tinggi dapat dicapai. Difusivitasnya sekitar sepersepuluh dari fosfor atau boron, sehingga digunakan di mana dopan harus tetap di tempatnya selama pemrosesan termal berikutnya. Berguna untuk difusi dangkal yang menginginkan batas mendadak yang terkontrol dengan baik. Dopan pilihan di sirkuit VLSI. Dopan yang disukai dalam rentang resistivitas rendah.
  • Antimon adalah dopan tipe-n. Ia memiliki koefisien difusi yang kecil. Digunakan untuk lapisan yang terkubur. Memiliki difusivitas yang mirip dengan arsenik, digunakan sebagai alternatifnya. Difusinya sebenarnya murni substitusi, tanpa interstisial, sehingga bebas dari efek anomali. Untuk sifat unggul ini, kadang-kadang digunakan dalam VLSI sebagai pengganti arsenik. Doping berat dengan antimon penting untuk perangkat listrik. Silikon yang banyak didoping antimon memiliki konsentrasi pengotor oksigen yang lebih rendah; efek autodoping minimal membuatnya cocok untuk substrat epitaksial.
  • Bismuth adalah dopan yang menjanjikan untuk detektor silikon fotokonduksi inframerah panjang gelombang panjang, alternatif tipe-n yang layak untuk bahan yang didoping galium tipe-p. [20]
  • Lithium digunakan untuk doping silikon untuk sel surya yang diperkeras radiasi. Kehadiran litium menghilangkan cacat pada kisi yang dihasilkan oleh proton dan neutron. Litium dapat dimasukkan ke silikon p+ yang didoping boron, dalam jumlah yang cukup rendah untuk mempertahankan karakter p material, atau dalam jumlah yang cukup besar untuk melawannya ke tipe n dengan resistivitas rendah.
• Lainnya
  • Germanium dapat digunakan untuk rekayasa celah pita. Lapisan Germanium juga menghambat difusi boron selama langkah anil, memungkinkan sambungan p-MOSFET yang sangat dangkal. Doping curah Germanium menekan cacat rongga yang besar, meningkatkan pengambilan internal, dan meningkatkan kekuatan mekanik wafer.
  • Silikon, germanium dan xenon dapat digunakan sebagai berkas ion untuk pra- amorfisasi permukaan wafer silikon. Pembentukan lapisan amorf di bawah permukaan memungkinkan pembentukan sambungan ultradangkal untuk p-MOSFET.
  • Nitrogen penting untuk menumbuhkan kristal silikon bebas cacat. Meningkatkan kekuatan mekanik kisi, meningkatkan pembentukan cacat mikro dalam jumlah besar, menekan aglomerasi kekosongan.
  • Emas dan platinum digunakan untuk kendali seumur hidup pembawa minoritas. Mereka digunakan dalam beberapa aplikasi deteksi inframerah. Emas memperkenalkan tingkat donor 0,35 eV di atas pita valensi dan tingkat akseptor 0,54 eV di bawah pita konduksi. Platinum juga memperkenalkan tingkat donor pada 0,35 eV di atas pita valensi, tetapi tingkat akseptornya hanya 0,26 eV di bawah pita konduksi; karena tingkat akseptor pada silikon tipe-n lebih dangkal, laju pembangkitan muatan ruang lebih rendah dan oleh karena itu arus bocor juga lebih rendah dibandingkan doping emas. Pada tingkat injeksi yang tinggi, platinum berkinerja lebih baik untuk pengurangan seumur hidup. Pemulihan terbalik perangkat bipolar lebih bergantung pada masa pakai tingkat rendah, dan pengurangannya lebih baik dilakukan dengan emas. Emas memberikan tradeoff yang baik antara penurunan tegangan maju dan waktu pemulihan mundur untuk perangkat bipolar peralihan cepat, di mana muatan yang disimpan di daerah basis dan kolektor harus diminimalkan. Sebaliknya, pada banyak transistor daya, masa pakai pembawa minoritas yang lama diperlukan untuk mencapai penguatan yang baik, dan pengotor emas/platinum harus dijaga tetap rendah.

Semikonduktor lainnya

Dalam daftar berikut, "(pengganti X)" mengacu pada semua materi sebelum tanda kurung tersebut.

• Gallium arsenida
  • tipe-n: telurium, belerang (pengganti As); timah, silikon, germanium (pengganti Ga)
  • tipe-p: berilium, seng, kromium (pengganti Ga); silikon, germanium, karbon (pengganti As)
• Gallium fosfida
  • tipe-n: telurium, selenium, belerang (pengganti fosfor)
  • tipe-p: seng, magnesium (pengganti Ga); timah (pengganti P)
  • isoelektrik: nitrogen (pengganti P) ditambahkan untuk mengaktifkan pendaran pada LED hijau lama (GaP memiliki celah pita tidak langsung)
• Gallium nitrida, Indium galium nitrida, Aluminium galium nitrida
  • tipe-n: silikon (pengganti Ga), germanium (pengganti Ga, kecocokan kisi lebih baik), karbon (pengganti Ga, tertanam secara alami ke dalam lapisan MOVPE yang tumbuh dalam konsentrasi rendah)
  • tipe-p: magnesium (pengganti Ga) - menantang karena energi ionisasi yang relatif tinggi di atas tepi pita valensi, difusi Mg interstisial yang kuat, kompleks hidrogen yang memasivasi akseptor Mg dan kompensasi mandiri Mg pada konsentrasi yang lebih tinggi)
• Kadmium telurida
  • tipe-n: indium, aluminium (pengganti Cd); klorin (pengganti Te)
  • tipe-p: fosfor (pengganti Te); litium, natrium (pengganti Cd)
• Kadmium sulfida
  • tipe-n: galium (pengganti Cd); yodium, fluor (pengganti S)
  • tipe-p: litium, natrium (pengganti Cd)

Pembuatan

Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) mengganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer.

Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan.

Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan.

Implantasi ion

Sistem implantasi ion di fasilitas teknologi LAAS di Toulouse, Prancis.

Pengaturan implantasi ion dengan pemisah massa.

Implantasi ion adalah proses suhu rendah yang dengannya ion-ion dari satu unsur dipercepat ke dalam target padat, sehingga mengubah sifat fisik, kimia, atau listrik dari target. Implantasi ion digunakan dalam fabrikasi perangkat semikonduktor dan dalam penyelesaian logam, serta dalam penelitian ilmu material. Ion-ion dapat mengubah komposisi unsur target (jika ion-ion tersebut berbeda komposisinya dari target) jika mereka berhenti dan tetap berada di dalam target. Implantasi ion juga menyebabkan perubahan kimia dan fisik ketika ion-ion tersebut mengenai target pada energi tinggi. Struktur kristal target dapat rusak atau bahkan hancur oleh kaskade tumbukan energik, dan ion-ion dengan energi yang cukup tinggi (puluhan MeV) dapat menyebabkan transmutasi nuklir.

Peralatan implantasi ion biasanya terdiri dari sumber ion, tempat ion dari unsur yang diinginkan diproduksi, akselerator, tempat ion dipercepat secara elektrostatik hingga berenergi tinggi atau menggunakan frekuensi radio, dan ruang target, tempat ion mengenai target, yang merupakan material yang akan ditanamkan. Dengan demikian, implantasi ion merupakan kasus khusus radiasi partikel. Setiap ion biasanya berupa atom atau molekul tunggal, dan dengan demikian jumlah material aktual yang ditanamkan dalam target merupakan integral dari arus ion terhadap waktu. Jumlah ini disebut dosis. Arus yang disuplai oleh implan biasanya kecil (mikro-ampere), dan dengan demikian dosis yang dapat ditanamkan dalam jumlah waktu yang wajar juga kecil. Oleh karena itu, implantasi ion dapat diterapkan dalam kasus-kasus di mana jumlah perubahan kimia yang diperlukan kecil.

Cara utama doping silikon untuk pembuatan perangkat semikonduktor adalah implantasi ion, doping sumber gas, dan doping sumber padat. Implantasi ion sejauh ini merupakan cara paling penting untuk memasukkan atom dopan ke dalam substrat silikon dan ini akan menjadi satu-satunya metode yang dibahas di sini. Pembaca yang tertarik dengan metode lama seperti doping gas dan sumber padat dirujuk ke teks standar untuk informasi lebih lanjut. Kami hanya akan memberikan pembahasan singkat mengenai aspek dasar implantasi ion di sini. Mereka yang tertarik untuk mengembangkan pemahaman mendalam tentang isu-isu yang terkait dengan implantasi ion diarahkan ke teks tentang Teknologi VLSI dan Ultra Large Scale Integration (ULSI) dan monografi yang tersedia tentang implantasi ion.

Metode utama doping silikon untuk pembuatan perangkat semikonduktor adalah implantasi ion, doping sumber gas, dan doping sumber padat. Implantasi ion sejauh ini merupakan cara terpenting untuk memasukkan atom dopan ke dalam substrat silikon, yang mengatasi meningkatnya kompleksitas chip semikonduktor dan proses pembuatannya. Implantasi ion biasanya digunakan untuk pembentukan sumur n dan p pada substrat silikon dan pembentukan sumber/saluran.

Keberhasilan proses implantasi ion sangat bergantung pada kualitas vakum di dalam implanter ion. Sebagian besar solusi untuk aplikasi vakum tinggi dalam pembangkitan, kontrol, dan pemantauan vakum sangat penting bagi keberhasilan proses implan ion.

Kegunaan praktis

Detektor kristal

Semikonduktor dalam bentuk kristal digunakan untuk pembuatan detektor kristal. Pembuatan detektor kristal mulai dilakukan sejak awal abad ke-20 Masehi sebagai penghubung kawat penghantar yang menerima sinyal radio. Bentuk kawat menyerupai kumis. Bahan semikonduktor yang digunakan yaitu kristal germanium. Keberadaan sinyal radio diketahui melalui efek simpang dari kontak antara kristal dan kawat. Penguatan dan pelemahan dari kuat arus listrik dibatasi oleh elemen padat dan senyawa yang telah mengalami rekayasa secara khusus. Arus listrik yang mengalir terbagi menjadi dua jenis, yaitu elektron bermuatan negatif dan elektron yang kekurangan muatan positif. Elektron yang bermuatan negatif disebut sebagai arus muatan sedangkan yang kekurangan muatan positif disebut sebagai arus lubang. Teori fisika kuantum digunakan untuk memahami prinsip arus muatan dan arus lubang ini.

Sel surya

Sel surya memanfaatkan semikonduktor yang terdiri dari komponen dioda dengan sambungan P-N. Kegunaan utama dari sel surya adalah menghasilkan efek fotovoltaik yang mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Sel surya digunakan pada pembangkit listrik tenaga surya dalam skala kecil pada daerah terpencil yang tidak memiliki akses listrik. Selain itu, satelit juga menggunakan sel surya sebagai penghasil energi listrik.

Pengukuran intensitas cahaya

Elemen fotolistrik pada bahan semikonduktor digunakan untuk menggantikan peran sel foto. Sel foto digunakan untuk mengukur intensitas cahaya. Peran sel foto yang digantikan oleh semikonduktor ialah ionisasi melalui tumbukan elektron-elektron pada cermin logam.

Sensor suhu penyejuk

Sensor suhu pada penyejuk udara umumnya bekerja menggunakan termistor yang memiliki nilai koefisien suhu negatif. Prinsip kerja dari sensor suhu pendingin berbeda dengan sensor suhu pemanas. Pada sensor suhu penyejuk udara, peningkatan suhu ruangan akan membuat nilai hambatan listrik berkurang.

Mesin mobil

Beberapa mesin mobil telah menggunakan prinsip kerja dan bahan semikonduktor untuk melakukan kerja secara mekanika. Pada mobil, bahan semikonduktor dimanfaatkan pada sistem kendali, sistem suspensi, kantung udara, dan rangkaian listrik pengaman. Sistem kerja mobil yang sepenuhnya memanfaatkan bahan konduktor ialah sistem manajemen mesin, sistem rem antiterkunci, sistem transmisi, sistem instrumentasi kelistrikan, modul kendali kelistrikan pada bodi mobil dan kantung udara dengan sistem pengaman tambahan.

Elektronika daya

Pada elektronika daya, peralatan semikonduktor utamanya berfungsi sebagai saklar elektronik. Proses pensaklaran menjadi salah satu proses yang utama pada rangkaian elektronika daya. Rangkaian elektronika daya mengadakan pensaklaran dengan kecepatan tinggi. Pengaturan kecepatan didasarkan kepada melalui rangkaian pembangkit pulsa sesuai dengan kebutuhan. Pada rangkaian elektronika daya, peralatan semikonduktor juga berfungsi untuk mengubah jenis sumber energi. Jenis pengubahan yang paling umum dilakukan adalah pengubahan bentuk dari gelombang listrik. Tujuan pengubahannya adalah untuk penyesuaian antara kebutuhan sumber energi bagi peralatan listrik dengan sumber listrik yang tersedia. Jenis perubahan ini meliputi perubahan dari arus bolak-balik menjadi arus bolak-balik atau menjadi arus searah, maupun arus searah menjadi arus searah atau menjadi arus bolak-balik. Besaran listrik yang diubah bentuk gelombangnya dapat dpilih antara arus listrik ataupun pada tegangan listrik. Fungsi lain dari peralatan semikonduktor pada elektronika daya adalah pengendalian terhadap aplikasi elektronika industri sesuai dengan keinginan. Pengaturan dilakukan terhadap besaran listrik seperti arus listrik, tegangan listrik dan daya listrik. Tujuan pengaturan ini ialah memberikan pengaruh terhadap sistem kerja yang ada pada industri. Pemakaian yang umum di industri antara lain untuk pengaturan kecepatan putaran, pengaturan tekanan, pengaturan suhu, dan pengaturan kecepatan gerakan.

Referensi

Daftar pustaka

• Abdullah, Mikrajuddin (2017). Fisika Dasar II (PDF). Bandung: Institut Teknologi Bandung. 
• Ali, Muhammad (2018). Aplikasi Elektronika Daya pasa Sistem Tenaga Listrik (PDF). Yogyakarta: UNY Press. ISBN 978-602-5566-79-0. 
• Gertshen, C., Kneser, H.O., dan Vogel, H. (1996). Fisika: Listrik Magnet dan Optik (PDF). Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa. ISBN 979-459-693-0.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Ponto, Hantje (2018). Dasar Teknik Listrik (PDF). Sleman: Deepublish. ISBN 978-623-7022-93-0. 
• Setiyo, Muji (2017). Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (PDF). Magelang: Unimma Press. ISBN 978-602-51079-0-0. 

Bacaan lanjutan

• Nelson, Jenny (2003). Physics of Solar Cells: Photons in, Electrons Out (Properties of Semiconductor Materials). Imperial College Press. ISBN 1-86094-349-7. 
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Turley, Jim (2002). The Essential Guide to Semiconductors. Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-046404-X. 

Lihat pula

Bidang terkait

• Fisika benda padat
• Elektronik
• Kimia benda padat
• Teknik listrik

Sub-bidang

• Fabrikasi alat semikonduktor
• Alat semikonduktor
  • Transistor
  • Dioda
  • Mikroprosesor
  • Thermistor
  • Sel surya
• Bahan semikonduktor
  • Aluminium arsenide
  • Aluminium gallium arsenide
  • Boron nitride
  • Cadmium sulfide
  • Cadmium selenide
  • Berlian
  • Gallium arsenide
  • Gallium nitride
  • Germanium
  • Indium phosphide
  • Silicon
  • Silicon carbide
  • Silicon germanium
  • Silicon on insulator
  • Zinc sulfide
  • Zinc selenide
• Wide bandgap semiconductors
• Spintronics
• Organic semiconductors
  • Melanin

Konsep

• Conduction band
• Effective mass
• Electron hole
• Exciton
• Quantum tunneling
• Valence band

Pranala luar

• Howstuffwork's semiconductor page
• Electrical Engineering Training Series Diarsipkan 2004-06-06 di Wayback Machine. A set of articles on Semiconductors and Transistors
• Semiconductor Technology Information on the Semiconductor Industry.
• NSM-Archive Physical Properties of Semiconductors (such as Si, GaAs and others), including band structure, mechanical, electrical, thermal and optical properies
• Semiconductor Concepts at Hyperphysics, includes intrisic semiconductors, doping, junctures, band theorry, etc.
• Principles of Semiconductor Devices Diarsipkan 2009-02-13 di Wayback Machine.
• Semiconductor resource launch page Diarsipkan 2008-07-23 di Wayback Machine.
• Semiconductor glossary
• https://www.youtube.com/ Zoom Into a Microchip (Narrated)