Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dangallium arsenide.
Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron).
Semikonduktor adalah suatu material yang memiliki sifat konduktivitas listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktor murni atau biasa disebut semikonduktorintrinsic adalah material semikonduktor dimana tiap-tiap atomnya berikatan kovalen satu sama lain membentuk suatu struktur kristal yang biasa disebut lattice,semikonduktor intrinsic memiliki sifat yang mendekati sebuah material isolator, dimana, pita valensi dan pita konduksinya terpisahkan oleh gap energi yang kecil.
Untuk merubah jumlah pembawa muatan, semikonduktor intrinsic harus diberi pengotor atau impurities. Pengotor akan menciptakan sebuah tingkatan energi diantara pita valensi dan pita konduksi. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor dengan kelebihan muatan negative, pada silicon, penambahan atom dengan lima electron valensi (seperti phosphor) akan meciptakan tingkat energy baru dengan posisi sedikit di bawah pita konduksi yang dinamakan tingkatan donor.
Tambahan electron dari phosphor akan menempati tingkat energy baru ini dan dengan hanya sedikit saja jumlah energy akan menaikkan electron ini ke pita konduksi sehingga akan menambah jumlah pembawa muatan negative. Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor dengan dengan kelebihan pembawa muatan positif, pada silicon, penambahan atom dengan tiga electron valensi akan menciptakan tingkat enegi baru dengan posisi sedikit di atas pita valensi yang dinamakan tingkatan akseptor. Electron pada pita valensi akan berpindah ke tingkat energy ini sehingga menciptakan lubang atau hole pada pita valensi dan akan menambah jumlah pembawa muatan positif.
Jika semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan maka pada sembungan akan terjadi proses difusi akibat ketidak seimbangan muatan diantara kedua material semikonduktor, semua hole pada sambungan akan terisi oleh electron sehingga tidak ada lagi electron bebas. Difusi ini menyebabkan terbentuknya lapisan pengosongan atau deplesi, pada lapisan ini semikonduktor kembali pada sifat isolatornya. Jika ujung tipe-n disambungkan dengan kutub negative suatu tegangan dan tipe-p disambungkan dengan kutub positif tegangan, maka electron pada lapisan deplesi akan terdorong keluar dari hole dan kembali menjadi elekron bebas sedangkan hole yang ditinggalkannya akan terisi kembali oleh electron (terjadi rekombinasi) dari tipe-n begitu seterusnya.
Gbr. Rekombinasi electron hole dan emisi foton pada junction
Terjadinya rekombinasi berarti electron dari tingkat energy yang lebih tinggi “jatuh” ke tingkat energy yang lebih rendah atau biasa disebut dengan deeksitasi. Rekombinasi electron-hole ini bisa bersifat radiatif (mengemisikan foton) dan non-radiatif bergantung pada struktur pita dari semikonduktor. Ada dua kemungkinan struktur pita darisemikonduktor yaitu pita energy langsung (direct bandgap) dan pita energy tak langsung (indirect bandgap).
Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik.
GaAs adalah material semikonduktor dengan struktur pita energy langsung (direct bandgap), dimana, nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi bertemu pada satu harga momentum yang sama. Pada material ini electron bebas pada minimum pita konduksi dapat melakukan rekombinasi denganhole di maksimum pita valensi, karena momentum dari kedua “partikel” sama, maka, foton dapat diemisikan sebagai konsekuensi dari hokum konservasi energy.
Doping Semikonduktor
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.[rujukan?] Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam.
[sunting]Persiapan bahan semikonduktor
Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untukproduksi 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 sebagaiperbaikan 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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar