Mereka duduk di tengah. Bukan konduktor seperti tembaga, bukan isolator seperti karet. “Ruang perantara” ini menjadikan bahan semikonduktor sebagai tulang punggung setiap perangkat yang kita sentuh saat ini.
Tanpa padatan kristal ini, kita tidak akan memiliki ponsel pintar di saku kita, server yang menjalankan Internet, dan mobil listrik di jalan. Dioda, transistor, dan sirkuit terpadu semuanya didasarkan pada mereka. Mereka kecil. Mereka dapat diandalkan. Dan yang terpenting: Anda tidak membuang banyak energi.
Kesenjangan konduktivitas
Bahan biasanya dibagi menjadi tiga kategori.
Isolator memblokir listrik. Bayangkan leburan silika atau kaca. Konduktivitasnya sangat rendah, biasanya antara $10^{-18} dan $10^{-10} Siemens per sentimeter. Konduktor seperti aluminium memungkinkan arus mengalir tanpa hambatan. Konduktivitasnya tinggi, biasanya $10^4$ hingga $10^6$ Siemens per sentimeter.
Semikonduktor hidup dalam keadaan kacau di antara mereka.
Konduktivitas semikonduktor tidak tetap. Itu berubah.
Variabilitas ini merupakan fitur, bukan bug. Suhu. Lampu. Medan magnet. Bahkan pengotor terkecil pun dapat mengubah konduktivitas listrik semikonduktor secara radikal.
Ambil silikon. Ini adalah bahan semikonduktor yang paling umum. Silikon murni tidak terlalu konduktif. Namun jika Anda menambahkan sedikit atom boron—sekitar 10 atom boron per juta atom silikon—permainannya akan berubah total.
Penambahan kecil ini, disebut juga doping, meningkatkan konduktivitas listrik ribuan kali lipat.
Mengapa ini penting? Karena memungkinkan para insinyur membuat komponen dengan karakteristik penanganan daya yang presisi dan terkendali. Anda dapat membuat transistor yang berfungsi sebagai sakelar atau amplifier. Anda dapat membuat sensor optik yang mendeteksi cahaya. Anda dapat membuat laser solid-state yang memancarkan sinar presisi.
Komponen terpisah ini berguna. Namun kekuatan sebenarnya mereka terletak pada integrasi. Mereka dapat dimasukkan ke dalam sirkuit mikroelektronik. Integrasi ini memungkinkan komputasi modern. Kita berbicara tentang sistem kompleks yang dapat ditampung dalam sebuah chip yang tidak lebih besar dari kuku.
Skalabilitas ini menggerakkan pasar konsumen dan industri. Semikonduktor adalah elemen kunci dari pemrosesan sinyal hingga sistem kontrol. Mereka ada dimana-mana. Dan mereka akan tetap demikian di masa mendatang.
Kisah semikonduktor dimulai dengan atom. Pada awal tahun 1800-an, para peneliti mulai mempelajari material antara konduktor dan isolator. Yang paling sederhana adalah unsur. Mereka hanya terdiri dari satu jenis atom. Silikon (Si), germanium (Ge) dan timah (Sn) termasuk dalam golongan IV tabel periodik unsur. Selenium (Se) dan telurium (Te) berada pada kolom keenam.
Namun kompleksitas sebenarnya berasal dari senyawa. Mereka adalah campuran dari dua unsur atau lebih. Gallium arsenide (GaAs) adalah senyawa biner III-V. Ini menggabungkan galium dari kolom III dengan arsenik dari kolom V. Anda bisa mendapatkan yang lebih kompleks lagi. Senyawa terner mengandung tiga unsur. Merkuri-indium telurida (HgIn2Te4) adalah contoh II-III-VI. Dalam beberapa kasus, mereka mungkin hanya berasal dari dua kolom. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) adalah paduan terner golongan III-V. Aluminium dan galium keduanya ada di kolom ketiga. Rasionya tergantung pada komposisinya. Jika subskrip x adalah 1, maka aluminium murni. 0 berarti galium murni.
Silikon murni masih menjadi raja sirkuit terpadu. Namun, dalam hal pendaran, senyawa biner dan terner III-V dominan.
Pergeseran dari Germanium ke Silikon
Sebelum tahun 1947, semikonduktor masih sederhana. Itu adalah perangkat dua terminal. Gunakan sebagai penyearah. Atau sebagai fotodioda. Lalu muncullah transistor bipolar. Ini mengubah segalanya.
Pada awal tahun 1950-an, germanium menjadi bahan pilihan. Itu berhasil. Tapi itu ada kekurangannya. Perangkat yang terbuat dari germanium memiliki arus bocor yang terlalu besar. Bahkan pada suhu sedang, kebocoran tidak dapat diterima di banyak aplikasi.
Silikon mulai muncul pada awal tahun 1960an. Dengan cepat menggantikan germanium. Alasannya praktis. Pertama, perangkat silikon memiliki arus bocor yang jauh lebih rendah. Kedua, silikon dioksida (SiO2) mudah terbentuk pada permukaan silikon. Membentuk insulasi berkualitas tinggi. Hal ini membuat manufaktur menjadi lebih mudah.
Saat ini, teknologi silikon ada dimana-mana. Perangkat silikon menyumbang lebih dari 95 persen dari seluruh produk semikonduktor di seluruh dunia.
Titik terang semikonduktor majemuk
Silikon serbaguna. Namun, ini tidak cocok untuk semua pekerjaan. Banyak semikonduktor majemuk memiliki sifat listrik dan optik yang tidak dapat ditandingi oleh silikon. Gallium arsenida adalah contoh yang paling menonjol. Lebih baik dalam menangani cahaya dan frekuensi radio tertentu.
Inilah sebabnya mengapa prosesor komputer utama tidak menemukan GaAs. Anda bisa menemukannya di bidang optoelektronik. Ditemukan dalam aplikasi RF. Di pasar khusus ini, keterbatasan silikon menjadi jelas.
材料选择如何定义设备性能
材料的选择不仅仅是学术性的。 它决定了设备实际可以做什么。 如果您需要处理数据,硅就是答案。 如果您需要发光或传输高频信号,您就会寻找其他地方。
这种分工解释了现代半导体的格局。 定领域的表现。 原子的物理性质决定了应用。
Bagaimana atom membentuk basa silikon
Semikonduktor didasarkan pada kristal tunggal. Atom tersusun dalam jaringan tiga dimensi yang rapat. Pada silikon murni, struktur ini hampir sempurna.
Lihat bagian 2D yang disederhanakan dari kristal ini. Setiap atom silikon dikelilingi oleh empat tetangganya. Ia memiliki empat elektron terluar. Itu membagikannya. Setiap pasangan bersama membentuk ikatan kovalen. Gaya tarik-menarik antara elektron dan inti menyatukan kisi-kisi tersebut.
Atom yang terisolasi berperilaku berbeda. Mereka memiliki tingkat energi yang berbeda. Ketika Anda menyatukan banyak atom dalam sebuah kristal, kadarnya akan menyebar. Mereka menjadi pita energi.
Penghalang celah pita
Suhu itu penting. Pada nol mutlak, tanpa osilasi termal, elektron mengisi pita tertentu sepenuhnya. Pita yang paling banyak terisi adalah pita valensi. Di atasnya adalah pita konduksi.
Ada kesenjangan di antara mereka. Zona terlarang. Elektron tidak bisa ada di sini. Isolator memiliki celah yang sangat besar. Semikonduktor memiliki yang lebih kecil. Kesenjangan pita ini menentukan perilaku material.
Semikonduktor yang paling berguna adalah antara 0,25 dan 2,5 elektron volt. Silikon adalah 1,12 eV. Gallium arsenida adalah 1,42 eV. Intan, isolator sempurna, dapat meregang hingga 5,5 eV. Besar kecilnya celah ini menentukan seberapa mudah arus mengalir.
Dalam semikonduktor murni, elektron terperangkap pada suhu rendah. Mereka duduk di jalur yang ditentukan dan tidak berguna untuk menghantarkan listrik. Panas mengubah itu. Getaran termal dapat memutus ikatan kovalen dan melepaskan elektron untuk membawa listrik. Namun pelepasan elektron akan meninggalkan lubang.
Lowongan ini adalah sebuah “lubang”.
Lubang bertindak seperti partikel fiktif dengan muatan positif. Mereka bergerak berlawanan arah dengan elektron. Saat Anda menerapkan medan listrik, elektron bebas di pita konduksi dan lubang di pita valensi bergerak melalui kristal. Gerakan ganda ini menciptakan arus. Konduktivitas bergantung pada dua hal: kepadatan pembawa muatan dan mobilitasnya.
Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas sama dengan jumlah lubang. Namun, mereka tidak bergerak dengan kecepatan yang sama. Mobilitas elektron biasanya lebih tinggi. Ambil silikon intrinsik pada suhu kamar. Elektron melaju dengan kecepatan 1.500 cm²/V·s. Lubang tertinggal pada kecepatan 500 cm²/V·s. Umumnya, ketika suhu naik, mobilitas keduanya menurun.
Silikon murni mempunyai konduktivitas yang buruk pada suhu kamar. Untuk memperbaikinya, produsen melakukan obat bius. Mereka menimbulkan pengotor sekitar satu bagian per juta. Hal ini menciptakan semikonduktor ekstrinsik. Doping meningkatkan konduktivitas, meski sedikit mengurangi mobilitas.
Membuat material tipe-n dan tipe-p
Doping bekerja dengan menukar atom.
Saat Anda mengganti atom silikon dengan atom pentavalen, seperti arsenik, empat dari lima elektron terluarnya akan berikatan dengan atom silikon tetangganya. Elektron kelima bebas. Ia bergabung dengan pita konduksi. Hal ini menciptakan semikonduktor tipe-n. Arsenik adalah donor. Ini menyumbangkan elektron.
Jika Anda mengganti silikon dengan atom trivalen seperti boron, ia hanya memiliki tiga elektron terluar. Dibutuhkan seperempat untuk membentuk ikatan kovalen yang stabil. Ia mencuri elektron dari ikatan terdekat. Hal ini menciptakan lubang pada pita valensi. Ini menciptakan semikonduktor tipe-p. Boron bertindak sebagai akseptor.
Persimpangan Pn
Ketika material tipe-n dan tipe-p bertemu, sesuatu yang menarik terjadi.
Efek dioda dan kerusakan sambungan
Ketika jenis pengotor di dalam kristal tunggal tiba-tiba berubah dari tipe-p (akseptor) menjadi tipe-n (donor), persimpangan p-n akan terbentuk. Di sinilah keajaiban terjadi. Di sisi P, lubang merupakan pembawa muatan dominan, yang disebut pembawa mayoritas. Beberapa elektron yang dihasilkan secara termal juga tinggal di sana, bertindak sebagai pembawa minoritas. Sisi-N membalikkan keadaan: elektron mendominasi, sedangkan lubang berada pada minoritas.
Lapisan penipisan terletak langsung di antarmuka. Pembawa muatan bebas telah dihapus dari wilayah ini, secara efektif mengubah persimpangan menjadi isolator. Ini adalah zona mati sampai tegangan eksternal membuat semuanya berjalan.
Rektifikasi: Bagaimana arus mengalir dalam satu arah
Properti penentu persimpangan p-n adalah rektifikasi. Hal ini memungkinkan arus mengalir dengan mudah ke satu arah namun terhalang ke arah lain. Lihatlah kurva arus-tegangan dari silikon persimpangan p-n : tidak linier. Itu keras kepala.
Jika Anda menerapkan tegangan bias maju – tegangan positif pada sisi p, negatif pada sisi n – penghalang akan runtuh. Sebagian besar maskapai penerbangan mayoritas bergegas melewati persimpangan tersebut. Arus besar mengalir. Hanya.
Bias terbalik? Hal-hal yang sangat berlawanan akan menarik, tetapi dalam kasus ini mereka akan saling tolak menolak. Pembawa muatan menjauh dari persimpangan dan meningkatkan lapisan penipisan. Hanya arus bocor kecil yang menyelinap masuk. Itu bisa diabaikan. Sampai tidak.
Pengertian Tegangan Rusak
Tambahkan bias balik dan konstanta regrid arus bocor. Begitulah, hingga Anda mencapai ambang kritis. Persimpangan itu runtuh. Alirannya tiba-tiba meningkat.
Kerusakan sambungan ini seringkali tidak berbahaya jika Anda mengatur disipasi daya. Jangan sampai terlalu panas atau diodanya akan bertahan. Ini bukanlah sebuah kegagalan; itulah batasnya.
Tegangan maju yang diperlukan untuk memulai persimpangan p-n biasanya kurang dari satu volt. Tapi membalikkan tegangan rusaknya? Ini sangat bervariasi. Di beberapa perangkat, kurang dari satu volt. Ribuan volt ke yang lain. Konsentrasi pengotor dan parameter perangkat menentukan di mana garis ini ditarik.
Mengapa ini penting
Orang mungkin berpikir bahwa persimpangan p-n hanyalah fisika abstrak. Sebenarnya tidak. Mereka adalah dasar dari elektronik modern. Meskipun ada struktur yang lebih kompleks seperti transistor p-n-p dan n-p-n, semuanya didasarkan pada perilaku dasar persimpangan p-n dasar.
Tanpa katup satu arah ini, tidak ada perbaikan. Tidak ada peraturan. Anda tidak mendapatkan sirkuit terintegrasi yang memberi daya pada segala sesuatu mulai dari telepon hingga jaringan listrik. Ini adalah struktur yang sederhana. Perbatasan yang tajam. Tapi itu mengubah segalanya.
Kami masih berusaha mencapai batasan seberapa tipis lapisan ini, seberapa cepat lapisan tersebut dapat berubah, dan seberapa besar tegangan yang dapat ditahan sebelum lapisan tersebut rusak. Fisikanya tidak berubah, namun penerapannya terus berkembang. Dari manakah terobosan selanjutnya akan datang?
