Karakteristik Komponen Semikonduktor
Jika Resistor adalah komponen "pasif" paling dasar dalam rangkaian listrik atau elektronik, maka kita harus menganggap Dioda daya sebagai komponen "aktif" paling dasar.
Namun, tidak seperti Resistor, dioda tidak berperilaku linear terhadap tegangan yang diberikan karena memiliki hubungan I-V eksponensial dan karenanya tidak dapat dijelaskan hanya dengan menggunakan hukum Ohm seperti yang kita lakukan untuk resistor.
Dioda adalah komponen semikonduktor searah dasar yang hanya akan memungkinkan arus mengalir melaluinya dalam satu arah saja, bertindak lebih seperti katup listrik satu arah, (Forward Biased Condition). Tetapi, sebelum kita melihat bagaimana dioda daya bekerja pertama-tama kita perlu memahami konstruksi dan konsep dasar semikonduktor.
Dioda dibuat dari satu bagian bahan Semikonduktor yang memiliki "daerah-P" positif di satu ujung dan "daerah-N" negatif di ujung lainnya, dan yang memiliki nilai resistivitas di suatu tempat antara konduktor dan isolator. Tapi apa itu materi "Semikonduktor" ?, pertama mari kita lihat apa yang membuat sesuatu menjadi Konduktor atau Isolator.
Masalah dengan menggunakan resistansi sebagai pengukuran adalah bahwa hal itu sangat tergantung pada ukuran fisik material yang diukur serta material yang darinya dibuat. Sebagai contoh, jika kita ingin menambah panjang material (membuatnya lebih lama) ketahanannya juga akan meningkat secara proporsional.
Demikian juga, jika kita meningkatkan diameter atau ukurannya (membuatnya lebih tebal) nilai resistansi akan berkurang. Jadi kami ingin dapat mendefinisikan materi sedemikian rupa untuk menunjukkan kemampuannya untuk melakukan atau menentang aliran arus listrik yang melewatinya, tidak peduli apa ukuran atau bentuknya.
Kuantitas yang digunakan untuk menunjukkan resistansi spesifik ini disebut Resistivitas dan diberi simbol Yunani ρ, ( Rho ). Resistivitas diukur dalam Ohm-meter, ( Ω.m ). Resistivitas adalah kebalikan dari konduktivitas.
Jika resistivitas berbagai bahan dibandingkan, mereka dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok utama, Konduktor, Isolator dan Semikonduktor seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Perhatikan bahwa ada margin yang sangat kecil antara resistivitas konduktor seperti perak dan emas, dibandingkan dengan margin yang jauh lebih besar untuk resistivitas isolator antara kaca dan kuarsa.
Perbedaan dalam resistivitas ini sebagian disebabkan oleh suhu sekitar mereka karena logam adalah konduktor panas yang jauh lebih baik daripada isolator.
Tetapi elektron-elektron ini hanya akan mengalir melalui sebuah konduktor jika ada sesuatu yang memacu pergerakannya, dan sesuatu itu adalah tegangan listrik.
Ketika potensial tegangan positif diterapkan pada material ini, “elektron bebas” ini meninggalkan atom induknya dan berjalan bersama melalui material yang membentuk arus elektron, yang lebih dikenal sebagai arus.
Seberapa "bebas" elektron-elektron ini dapat bergerak melalui sebuah konduktor tergantung pada seberapa mudah mereka dapat melepaskan diri dari atom-atom penyusunnya ketika sebuah tegangan diberikan. Kemudian jumlah elektron yang mengalir tergantung pada jumlah resistivitas yang dimiliki konduktor.
Contoh-contoh konduktor yang baik umumnya logam seperti Tembaga, Aluminium, Perak atau bukan logam seperti Karbon karena bahan-bahan ini memiliki sangat sedikit elektron di “Valence Shell” atau cincin luarnya, yang mengakibatkan mereka mudah terlempar keluar dari orbit atom.
Ini memungkinkan mereka untuk mengalir bebas melalui materi sampai mereka bergabung dengan atom lain, menghasilkan "Efek Domino" melalui materi sehingga menciptakan arus listrik. Tembaga dan Aluminium adalah konduktor utama yang digunakan dalam kabel listrik seperti yang ditunjukkan.
Secara umum, sebagian besar logam adalah konduktor listrik yang baik, karena memiliki nilai resistansi yang sangat kecil, biasanya di wilayah mikro-ohm per meter, (μΩ.m).
Sementara logam seperti tembaga dan aluminium adalah konduksi listrik yang sangat baik, mereka masih memiliki beberapa resistansi terhadap aliran elektron dan akibatnya tidak melakukan dengan sempurna.
Energi yang hilang dalam proses melewatkan arus listrik, muncul dalam bentuk panas yang mengapa konduktor dan terutama resistor menjadi panas karena resistivitas konduktor meningkat dengan suhu sekitar.
Dengan kata lain, elektron terjebak pada atom induk dan tidak dapat bergerak dengan bebas sehingga jika tegangan potensial diterapkan pada material, arus tidak akan mengalir karena tidak ada "elektron bebas" yang tersedia untuk bergerak dan yang memberikan bahan-bahan ini sifat isolasi mereka.
Isolator juga memiliki resistansi yang sangat tinggi, jutaan ohm per meter, dan umumnya tidak terpengaruh oleh perubahan suhu normal (meskipun pada suhu yang sangat tinggi kayu menjadi arang dan berubah dari isolator menjadi konduktor). Contoh isolator yang baik adalah marmer, kuarsa leburan, plastik PVC, karet dll.
Isolator memainkan peran yang sangat penting dalam rangkaian listrik dan elektronik, karena tanpa mereka, rangkaian listrik akan konsleting bersama dan tidak berfungsi.
Misalnya, isolator yang terbuat dari kaca atau porselen digunakan untuk mengisolasi dan mendukung kabel transmisi overhead sedangkan bahan resin epoksi-kaca digunakan untuk membuat papan rangkaian tercetak, PCB, dll. Sementara PVC digunakan untuk mengisolasi kabel listrik seperti yang ditunjukkan.
Mereka memiliki sangat sedikit "elektron bebas" karena atom mereka dikelompokkan bersama dalam pola kristal yang disebut "kisi kristal" tetapi elektron masih dapat mengalir, tetapi hanya dalam kondisi khusus.
Kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan listrik dapat sangat ditingkatkan dengan mengganti atau menambahkan atom donor atau akseptor tertentu ke dalam struktur kristalin ini, sehingga menghasilkan lebih banyak elektron bebas daripada lubang/hole atau sebaliknya. Yaitu dengan menambahkan sebagian kecil elemen lain ke bahan dasar, baik silikon atau germanium.
Pada silikon mereka sendiri dan Germanium digolongkan sebagai semikonduktor intrinsik, yaitu mereka secara kimia murni, tidak mengandung apa-apa selain bahan semi-konduktif.
Tetapi dengan mengontrol jumlah pengotor yang ditambahkan ke bahan semikonduktor intrinsik ini, dimungkinkan untuk mengontrol konduktivitasnya. Berbagai kotoran yang disebut donor atau akseptor dapat ditambahkan ke bahan intrinsik ini untuk menghasilkan elektron atau lubang (hole) bebas masing-masing.
Proses penambahan atom donor atau akseptor ke atom semikonduktor (urutan 1 atom pengotor per 10 juta (atau lebih) atom semikonduktor) disebut Doping.
Karena silikon yang didoping tidak lagi murni, atom donor dan akseptor ini secara kolektif disebut sebagai "pengotor", dan dengan mendoping bahan silikon ini dengan jumlah pengotor yang cukup, kita dapat mengubahnya menjadi tipe-N atau tipe-P bahan semi-konduktor.
Sejauh ini bahan dasar semikonduktor yang paling umum digunakan adalah silikon. Silikon memiliki empat elektron valensi di kulit terluarnya yang dibagikan dengan atom silikon tetangganya untuk membentuk orbital penuh delapan elektron. Struktur ikatan antara dua atom silikon sedemikian rupa sehingga setiap atom berbagi satu elektron dengan tetangganya membuat ikatan tersebut sangat stabil.
Karena ada sangat sedikit elektron bebas yang tersedia untuk bergerak di sekitar kristal silikon, maka kristal silikon murni (atau germanium) adalah isolator yang baik, atau paling tidak resistor bernilai sangat tinggi.
Atom silikon disusun dalam pola simetris yang pasti menjadikannya struktur padat kristal. Kristal silikon murni (silikon dioksida atau kaca) umumnya dikatakan sebagai kristal intrinsik (tidak memiliki pengotor) dan karenanya tidak memiliki elektron bebas.
Tetapi hanya menghubungkan kristal silikon ke supply baterai tidak cukup untuk mengekstraksi arus listrik darinya. Untuk melakukan itu kita perlu membuat kutub "positif" dan "negatif" dalam silikon yang memungkinkan elektron dan karenanya arus listrik mengalir keluar dari silikon. Kutub-kutub ini dibuat dengan mendoping silikon dengan kotoran tertentu.
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi kristal silikon murni 'normal'.
Hal ini memungkinkan empat dari lima elektron orbital berikatan dengan atom silikon tetangganya sehingga satu "elektron bebas" menjadi bergerak ketika tegangan listrik diberikan (aliran elektron). Karena setiap atom pengotor "menyumbangkan" satu elektron, atom pentavalent umumnya dikenal sebagai "donor".
Antimon (simbol Sb) dan Fosfor (simbol P), sering digunakan sebagai aditif pentavalen pada silikon. Antimon memiliki 51 elektron yang tersusun dalam lima cangkang di sekitar nukleusnya dengan orbital terluar yang memiliki lima elektron.
Bahan dasar semikonduktor yang dihasilkan memiliki kelebihan dari elektron pembawa arus, masing-masing dengan muatan negatif, dan oleh karena itu disebut sebagai bahan tipe-N dengan elektron yang disebut "Pengangkut Mayoritas" sedangkan lubang (hole) yang dihasilkan disebut "Pengangkut Minoritas".
Ketika distimulasi oleh sumber daya eksternal, elektron yang dibebaskan dari atom silikon oleh stimulasi ini dengan cepat digantikan oleh elektron bebas yang tersedia dari atom Antimon yang didoping. Tetapi tindakan ini masih menyisakan elektron ekstra (elektron yang dibebaskan) yang mengambang di sekitar kristal yang didoping sehingga bermuatan negatif.
Kemudian bahan semikonduktor digolongkan sebagai tipe-N ketika kepadatan donornya lebih besar dari kepadatan akseptornya, dengan kata lain, itu memiliki lebih banyak elektron daripada lubang (hole) sehingga menciptakan kutub negatif seperti yang ditunjukkan.
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi atom pengotor donor Antimon.
Oleh karena itu, koneksi yang lengkap tidak mungkin, memberikan bahan semikonduktor banyak pembawa bermuatan positif yang dikenal sebagai lubang (hole) dalam struktur kristal di mana elektron secara efektif hilang.
Karena sekarang ada lubang di kristal silikon, sebuah elektron tetangga tertarik padanya dan akan mencoba bergerak ke dalam lubang untuk mengisinya. Namun, elektron yang mengisi lubang meninggalkan lubang lain di belakangnya saat bergerak.
Ini pada gilirannya menarik elektron lain yang pada gilirannya menciptakan lubang lain di belakangnya, dan seterusnya memberikan kesan bahwa lubang-lubang itu bergerak sebagai muatan positif melalui struktur kristal (aliran arus konvensional).
Pergerakan lubang ini menghasilkan kekurangan elektron dalam silikon yang mengubah seluruh kristal yang diolah menjadi kutub positif. Karena setiap atom pengotor menghasilkan lubang, pengotor trivalen umumnya dikenal sebagai " Akseptor " karena mereka terus-menerus "menerima" elektron ekstra atau bebas.
Boron (simbol B) umumnya digunakan sebagai aditif trivalen karena hanya memiliki lima elektron yang tersusun dalam tiga kulit di sekitar nukleusnya dengan orbital terluar yang hanya memiliki tiga elektron.
Doping atom Boron menyebabkan konduksi terutama terdiri dari pembawa muatan positif yang menghasilkan bahan tipe-P dengan lubang positif disebut "Pengangkut Mayoritas" sedangkan elektron bebas disebut "Pengangkut Minoritas".
Kemudian bahan dasar semikonduktor digolongkan sebagai tipe-P ketika kepadatan akseptornya lebih besar dari kepadatan donornya. Oleh karena itu, semikonduktor tipe-P memiliki lebih banyak lubang daripada elektron.
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi atom pengotor akseptor Boron.
Dalam semikonduktor tipe-N ada:
1. Para Donor dikenai muatan positif.
2. Ada banyak elektron bebas.
3. Sejumlah kecil lubang terkait dengan jumlah elektron bebas.
4. Doping memberi:
donor yang bermuatan positif.
elektron bebas bermuatan negatif.
5. Pasokan/Supply energi memberi:
elektron bebas bermuatan negatif.
lubang bermuatan positif.
Dalam jenis bahan adalah:
1. Para Akseptor dibebankan secara negatif.
2. Ada banyak lubang.
3. Sejumlah kecil elektron bebas sehubungan dengan jumlah lubang.
4. Doping memberi:
akseptor bermuatan negatif.
lubang bermuatan positif.
5. Pasokan/Supply energi memberi:
lubang bermuatan positif.
elektron bebas bermuatan negatif.
dan kedua tipe P dan N secara keseluruhan netral secara elektrik.
Antimony (Sb) dan Boron (B) adalah dua agen doping yang paling umum digunakan karena mereka lebih banyak tersedia dibandingkan dengan jenis bahan lainnya. Mereka juga digolongkan sebagai "metaloid".
Namun, tabel periodik mengelompokkan sejumlah elemen kimia lain yang berbeda, semuanya dengan tiga, atau lima elektron di kulit orbital terluarnya sehingga membuatnya cocok sebagai bahan doping.
Unsur-unsur kimia lainnya ini juga dapat digunakan sebagai agen doping untuk bahan dasar baik Silicon (Si) atau Germanium (Ge) untuk menghasilkan berbagai jenis bahan semikonduktor dasar untuk digunakan dalam komponen semikonduktor elektronik, mikroprosesor dan aplikasi sel surya. Bahan semikonduktor tambahan ini diberikan di bawah ini.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Dioda, kita akan membahas penggabungan dua bahan dasar semikonduktor, tipe P dan material tipe N untuk membentuk Dioda PN Junction atau persimpangan PN yang dapat digunakan untuk menghasilkan dioda.
Namun, tidak seperti Resistor, dioda tidak berperilaku linear terhadap tegangan yang diberikan karena memiliki hubungan I-V eksponensial dan karenanya tidak dapat dijelaskan hanya dengan menggunakan hukum Ohm seperti yang kita lakukan untuk resistor.
Dioda adalah komponen semikonduktor searah dasar yang hanya akan memungkinkan arus mengalir melaluinya dalam satu arah saja, bertindak lebih seperti katup listrik satu arah, (Forward Biased Condition). Tetapi, sebelum kita melihat bagaimana dioda daya bekerja pertama-tama kita perlu memahami konstruksi dan konsep dasar semikonduktor.
Dioda dibuat dari satu bagian bahan Semikonduktor yang memiliki "daerah-P" positif di satu ujung dan "daerah-N" negatif di ujung lainnya, dan yang memiliki nilai resistivitas di suatu tempat antara konduktor dan isolator. Tapi apa itu materi "Semikonduktor" ?, pertama mari kita lihat apa yang membuat sesuatu menjadi Konduktor atau Isolator.
Resistivitas atau Tahanan
Hambatan (resistansi) listrik dari komponen atau perangkat listrik atau elektronik pada umumnya didefinisikan sebagai rasio dari perbedaan tegangan di atasnya dengan arus yang mengalir melaluinya, prinsip dasar Hukum Ohm.Masalah dengan menggunakan resistansi sebagai pengukuran adalah bahwa hal itu sangat tergantung pada ukuran fisik material yang diukur serta material yang darinya dibuat. Sebagai contoh, jika kita ingin menambah panjang material (membuatnya lebih lama) ketahanannya juga akan meningkat secara proporsional.
Demikian juga, jika kita meningkatkan diameter atau ukurannya (membuatnya lebih tebal) nilai resistansi akan berkurang. Jadi kami ingin dapat mendefinisikan materi sedemikian rupa untuk menunjukkan kemampuannya untuk melakukan atau menentang aliran arus listrik yang melewatinya, tidak peduli apa ukuran atau bentuknya.
Kuantitas yang digunakan untuk menunjukkan resistansi spesifik ini disebut Resistivitas dan diberi simbol Yunani ρ, ( Rho ). Resistivitas diukur dalam Ohm-meter, ( Ω.m ). Resistivitas adalah kebalikan dari konduktivitas.
Jika resistivitas berbagai bahan dibandingkan, mereka dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok utama, Konduktor, Isolator dan Semikonduktor seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Grafik Resistivitas
Perhatikan bahwa ada margin yang sangat kecil antara resistivitas konduktor seperti perak dan emas, dibandingkan dengan margin yang jauh lebih besar untuk resistivitas isolator antara kaca dan kuarsa.
Perbedaan dalam resistivitas ini sebagian disebabkan oleh suhu sekitar mereka karena logam adalah konduktor panas yang jauh lebih baik daripada isolator.
Konduktor
Dari atas kita sekarang tahu bahwa Konduktor adalah bahan yang memiliki nilai resistivitas sangat rendah, biasanya dalam ohm mikro per meter. Nilai yang rendah ini memungkinkan mereka untuk dengan mudah melewatkan arus listrik karena terdapat banyak elektron bebas yang mengambang di dalam struktur atom dasarnya.Tetapi elektron-elektron ini hanya akan mengalir melalui sebuah konduktor jika ada sesuatu yang memacu pergerakannya, dan sesuatu itu adalah tegangan listrik.
Ketika potensial tegangan positif diterapkan pada material ini, “elektron bebas” ini meninggalkan atom induknya dan berjalan bersama melalui material yang membentuk arus elektron, yang lebih dikenal sebagai arus.
Seberapa "bebas" elektron-elektron ini dapat bergerak melalui sebuah konduktor tergantung pada seberapa mudah mereka dapat melepaskan diri dari atom-atom penyusunnya ketika sebuah tegangan diberikan. Kemudian jumlah elektron yang mengalir tergantung pada jumlah resistivitas yang dimiliki konduktor.
Contoh-contoh konduktor yang baik umumnya logam seperti Tembaga, Aluminium, Perak atau bukan logam seperti Karbon karena bahan-bahan ini memiliki sangat sedikit elektron di “Valence Shell” atau cincin luarnya, yang mengakibatkan mereka mudah terlempar keluar dari orbit atom.
Ini memungkinkan mereka untuk mengalir bebas melalui materi sampai mereka bergabung dengan atom lain, menghasilkan "Efek Domino" melalui materi sehingga menciptakan arus listrik. Tembaga dan Aluminium adalah konduktor utama yang digunakan dalam kabel listrik seperti yang ditunjukkan.
Secara umum, sebagian besar logam adalah konduktor listrik yang baik, karena memiliki nilai resistansi yang sangat kecil, biasanya di wilayah mikro-ohm per meter, (μΩ.m).
Sementara logam seperti tembaga dan aluminium adalah konduksi listrik yang sangat baik, mereka masih memiliki beberapa resistansi terhadap aliran elektron dan akibatnya tidak melakukan dengan sempurna.
Energi yang hilang dalam proses melewatkan arus listrik, muncul dalam bentuk panas yang mengapa konduktor dan terutama resistor menjadi panas karena resistivitas konduktor meningkat dengan suhu sekitar.
Isolator
Isolator di sisi lain adalah kebalikan dari konduktor. Mereka terbuat dari bahan, umumnya non-logam, yang memiliki sangat sedikit atau tidak ada "elektron bebas" mengambang di sekitar struktur atom dasar mereka karena elektron dalam kulit valensi luar sangat tertarik oleh inti dalam yang bermuatan positif.Dengan kata lain, elektron terjebak pada atom induk dan tidak dapat bergerak dengan bebas sehingga jika tegangan potensial diterapkan pada material, arus tidak akan mengalir karena tidak ada "elektron bebas" yang tersedia untuk bergerak dan yang memberikan bahan-bahan ini sifat isolasi mereka.
Isolator juga memiliki resistansi yang sangat tinggi, jutaan ohm per meter, dan umumnya tidak terpengaruh oleh perubahan suhu normal (meskipun pada suhu yang sangat tinggi kayu menjadi arang dan berubah dari isolator menjadi konduktor). Contoh isolator yang baik adalah marmer, kuarsa leburan, plastik PVC, karet dll.
Isolator memainkan peran yang sangat penting dalam rangkaian listrik dan elektronik, karena tanpa mereka, rangkaian listrik akan konsleting bersama dan tidak berfungsi.
Misalnya, isolator yang terbuat dari kaca atau porselen digunakan untuk mengisolasi dan mendukung kabel transmisi overhead sedangkan bahan resin epoksi-kaca digunakan untuk membuat papan rangkaian tercetak, PCB, dll. Sementara PVC digunakan untuk mengisolasi kabel listrik seperti yang ditunjukkan.
Dasar-Dasar Semikonduktor
Bahan semikonduktor seperti silikon (Si), germanium (Ge) dan gallium arsenide (GaAs), memiliki sifat listrik di suatu tempat di tengah, antara yang dari "konduktor" dan "isolator". Mereka bukan konduktor yang baik atau isolator yang baik (maka nama mereka "semi" -konduktor).Mereka memiliki sangat sedikit "elektron bebas" karena atom mereka dikelompokkan bersama dalam pola kristal yang disebut "kisi kristal" tetapi elektron masih dapat mengalir, tetapi hanya dalam kondisi khusus.
Kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan listrik dapat sangat ditingkatkan dengan mengganti atau menambahkan atom donor atau akseptor tertentu ke dalam struktur kristalin ini, sehingga menghasilkan lebih banyak elektron bebas daripada lubang/hole atau sebaliknya. Yaitu dengan menambahkan sebagian kecil elemen lain ke bahan dasar, baik silikon atau germanium.
Pada silikon mereka sendiri dan Germanium digolongkan sebagai semikonduktor intrinsik, yaitu mereka secara kimia murni, tidak mengandung apa-apa selain bahan semi-konduktif.
Tetapi dengan mengontrol jumlah pengotor yang ditambahkan ke bahan semikonduktor intrinsik ini, dimungkinkan untuk mengontrol konduktivitasnya. Berbagai kotoran yang disebut donor atau akseptor dapat ditambahkan ke bahan intrinsik ini untuk menghasilkan elektron atau lubang (hole) bebas masing-masing.
Proses penambahan atom donor atau akseptor ke atom semikonduktor (urutan 1 atom pengotor per 10 juta (atau lebih) atom semikonduktor) disebut Doping.
Karena silikon yang didoping tidak lagi murni, atom donor dan akseptor ini secara kolektif disebut sebagai "pengotor", dan dengan mendoping bahan silikon ini dengan jumlah pengotor yang cukup, kita dapat mengubahnya menjadi tipe-N atau tipe-P bahan semi-konduktor.
Sejauh ini bahan dasar semikonduktor yang paling umum digunakan adalah silikon. Silikon memiliki empat elektron valensi di kulit terluarnya yang dibagikan dengan atom silikon tetangganya untuk membentuk orbital penuh delapan elektron. Struktur ikatan antara dua atom silikon sedemikian rupa sehingga setiap atom berbagi satu elektron dengan tetangganya membuat ikatan tersebut sangat stabil.
Karena ada sangat sedikit elektron bebas yang tersedia untuk bergerak di sekitar kristal silikon, maka kristal silikon murni (atau germanium) adalah isolator yang baik, atau paling tidak resistor bernilai sangat tinggi.
Atom silikon disusun dalam pola simetris yang pasti menjadikannya struktur padat kristal. Kristal silikon murni (silikon dioksida atau kaca) umumnya dikatakan sebagai kristal intrinsik (tidak memiliki pengotor) dan karenanya tidak memiliki elektron bebas.
Tetapi hanya menghubungkan kristal silikon ke supply baterai tidak cukup untuk mengekstraksi arus listrik darinya. Untuk melakukan itu kita perlu membuat kutub "positif" dan "negatif" dalam silikon yang memungkinkan elektron dan karenanya arus listrik mengalir keluar dari silikon. Kutub-kutub ini dibuat dengan mendoping silikon dengan kotoran tertentu.
Struktur Atom Silikon
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi kristal silikon murni 'normal'.
Dasar Semikonduktor tipe-N
Agar kristal silikon kita menghantarkan listrik, kita perlu memasukkan atom pengotor seperti Arsenik, Antimon atau Fosfor ke dalam struktur kristal yang membuatnya ekstrinsik (pengotor ditambahkan). Atom-atom ini memiliki lima elektron terluar dalam orbital terluar mereka untuk berbagi dengan atom tetangga dan umumnya disebut pengotor "Pentavalent".Hal ini memungkinkan empat dari lima elektron orbital berikatan dengan atom silikon tetangganya sehingga satu "elektron bebas" menjadi bergerak ketika tegangan listrik diberikan (aliran elektron). Karena setiap atom pengotor "menyumbangkan" satu elektron, atom pentavalent umumnya dikenal sebagai "donor".
Antimon (simbol Sb) dan Fosfor (simbol P), sering digunakan sebagai aditif pentavalen pada silikon. Antimon memiliki 51 elektron yang tersusun dalam lima cangkang di sekitar nukleusnya dengan orbital terluar yang memiliki lima elektron.
Bahan dasar semikonduktor yang dihasilkan memiliki kelebihan dari elektron pembawa arus, masing-masing dengan muatan negatif, dan oleh karena itu disebut sebagai bahan tipe-N dengan elektron yang disebut "Pengangkut Mayoritas" sedangkan lubang (hole) yang dihasilkan disebut "Pengangkut Minoritas".
Ketika distimulasi oleh sumber daya eksternal, elektron yang dibebaskan dari atom silikon oleh stimulasi ini dengan cepat digantikan oleh elektron bebas yang tersedia dari atom Antimon yang didoping. Tetapi tindakan ini masih menyisakan elektron ekstra (elektron yang dibebaskan) yang mengambang di sekitar kristal yang didoping sehingga bermuatan negatif.
Kemudian bahan semikonduktor digolongkan sebagai tipe-N ketika kepadatan donornya lebih besar dari kepadatan akseptornya, dengan kata lain, itu memiliki lebih banyak elektron daripada lubang (hole) sehingga menciptakan kutub negatif seperti yang ditunjukkan.
Atom Antimon dan Doping
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi atom pengotor donor Antimon.
Dasar Semikonduktor Tipe-P
Jika kita pergi ke arah lain, dan memperkenalkan pengotor "Trivalent" (3-elektron) ke dalam struktur kristal, seperti Aluminium, Boron atau Indium, yang hanya memiliki tiga elektron valensi yang tersedia dalam orbital terluar mereka, ikatan tertutup keempat tidak dapat terbentuk.Oleh karena itu, koneksi yang lengkap tidak mungkin, memberikan bahan semikonduktor banyak pembawa bermuatan positif yang dikenal sebagai lubang (hole) dalam struktur kristal di mana elektron secara efektif hilang.
Karena sekarang ada lubang di kristal silikon, sebuah elektron tetangga tertarik padanya dan akan mencoba bergerak ke dalam lubang untuk mengisinya. Namun, elektron yang mengisi lubang meninggalkan lubang lain di belakangnya saat bergerak.
Ini pada gilirannya menarik elektron lain yang pada gilirannya menciptakan lubang lain di belakangnya, dan seterusnya memberikan kesan bahwa lubang-lubang itu bergerak sebagai muatan positif melalui struktur kristal (aliran arus konvensional).
Pergerakan lubang ini menghasilkan kekurangan elektron dalam silikon yang mengubah seluruh kristal yang diolah menjadi kutub positif. Karena setiap atom pengotor menghasilkan lubang, pengotor trivalen umumnya dikenal sebagai " Akseptor " karena mereka terus-menerus "menerima" elektron ekstra atau bebas.
Boron (simbol B) umumnya digunakan sebagai aditif trivalen karena hanya memiliki lima elektron yang tersusun dalam tiga kulit di sekitar nukleusnya dengan orbital terluar yang hanya memiliki tiga elektron.
Doping atom Boron menyebabkan konduksi terutama terdiri dari pembawa muatan positif yang menghasilkan bahan tipe-P dengan lubang positif disebut "Pengangkut Mayoritas" sedangkan elektron bebas disebut "Pengangkut Minoritas".
Kemudian bahan dasar semikonduktor digolongkan sebagai tipe-P ketika kepadatan akseptornya lebih besar dari kepadatan donornya. Oleh karena itu, semikonduktor tipe-P memiliki lebih banyak lubang daripada elektron.
Boron Atom dan Doping
Diagram di atas menunjukkan struktur dan kisi atom pengotor akseptor Boron.
Ringkasan Dasar-Dasar Semikonduktor
Tipe-N (misal. Didoping dengan Antimon)
Ini adalah bahan yang memiliki atom pengotor Pentavalent (Donor) ditambahkan dan dilakukan oleh gerakan "elektron" dan oleh karena itu disebut, semikonduktor tipe-N.Dalam semikonduktor tipe-N ada:
1. Para Donor dikenai muatan positif.
2. Ada banyak elektron bebas.
3. Sejumlah kecil lubang terkait dengan jumlah elektron bebas.
4. Doping memberi:
donor yang bermuatan positif.
elektron bebas bermuatan negatif.
5. Pasokan/Supply energi memberi:
elektron bebas bermuatan negatif.
lubang bermuatan positif.
Tipe P (misalnya didoping dengan Boron)
Ini adalah bahan yang memiliki atom pengotor Trivalen (Akseptor) ditambahkan dan melakukan oleh gerakan "lubang" dan karenanya disebut, Semikonduktor tipe-P.Dalam jenis bahan adalah:
1. Para Akseptor dibebankan secara negatif.
2. Ada banyak lubang.
3. Sejumlah kecil elektron bebas sehubungan dengan jumlah lubang.
4. Doping memberi:
akseptor bermuatan negatif.
lubang bermuatan positif.
5. Pasokan/Supply energi memberi:
lubang bermuatan positif.
elektron bebas bermuatan negatif.
dan kedua tipe P dan N secara keseluruhan netral secara elektrik.
Antimony (Sb) dan Boron (B) adalah dua agen doping yang paling umum digunakan karena mereka lebih banyak tersedia dibandingkan dengan jenis bahan lainnya. Mereka juga digolongkan sebagai "metaloid".
Namun, tabel periodik mengelompokkan sejumlah elemen kimia lain yang berbeda, semuanya dengan tiga, atau lima elektron di kulit orbital terluarnya sehingga membuatnya cocok sebagai bahan doping.
Unsur-unsur kimia lainnya ini juga dapat digunakan sebagai agen doping untuk bahan dasar baik Silicon (Si) atau Germanium (Ge) untuk menghasilkan berbagai jenis bahan semikonduktor dasar untuk digunakan dalam komponen semikonduktor elektronik, mikroprosesor dan aplikasi sel surya. Bahan semikonduktor tambahan ini diberikan di bawah ini.
Tabel Periodik Semikonduktor
Elemen Grup 13
|
Elemen Grup 14
|
Elemen Grup 15
|
3-Elektron di Luar Shell/Kulit
(Bermuatan Positif)
|
4-Elektron di Luar Shell/Kulit
(Bermuatan Netral )
|
5-Elektron di Luar Shell/Kulit
(Bermuatan Negatif)
|
(5) Boron (B)
|
(6) Karbon (C)
| |
(13) Aluminium (Al)
|
(14) Silikon (Si)
|
(15) Fosfor (P)
|
(31) Gallium (Ga)
|
(32) Germanium (Ge)
|
(33) Arsenik (As)
|
(51) Antimony (Sb)
|