Elektronika Dasar - Semikonduktor
SEBUAH semiconductoradalah zat yang resistivitasnya terletak di antara konduktor dan isolator. Sifat resistivitas bukan satu-satunya yang menentukan suatu material sebagai semikonduktor, tetapi memiliki beberapa sifat sebagai berikut.
Semikonduktor memiliki resistivitas yang lebih kecil dari isolator dan lebih dari konduktor.
Semikonduktor memiliki koefisien suhu negatif. Hambatan dalam semikonduktor, meningkat dengan penurunan suhu dan sebaliknya.
Sifat Konduktor dari Semikonduktor berubah, ketika pengotor logam yang sesuai ditambahkan padanya, yang merupakan sifat yang sangat penting.
Perangkat semikonduktor banyak digunakan di bidang elektronik. Transistor telah menggantikan tabung vakum yang besar, dari mana ukuran dan biaya perangkat diturunkan dan revolusi ini terus meningkatkan kecepatannya yang mengarah pada penemuan baru seperti elektronik terintegrasi. Ilustrasi berikut menunjukkan klasifikasi semikonduktor.
Konduksi dalam Semikonduktor
Setelah mengetahui beberapa elektron, kita mengetahui bahwa kulit terluar memiliki valence electronsyang terikat secara longgar ke inti. Atom seperti itu, yang memiliki elektron valensi ketika didekatkan dengan atom lain, elektron valensi dari kedua atom ini bergabung membentuk “Electron pairs". Ikatan ini tidak terlalu kuat dan karenanya menjadi aCovalent bond.
Misalnya, atom germanium memiliki 32 elektron. 2 elektron di orbit pertama, 8 di orbit kedua, 18 di orbit ketiga, sedangkan 4 di orbit terakhir. Keempat elektron ini adalah elektron valensi atom germanium. Elektron ini cenderung bergabung dengan elektron valensi dari atom yang berdampingan, membentuk pasangan elektron, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Pembuatan Lubang
Karena energi panas yang disuplai ke kristal, beberapa elektron cenderung keluar dari tempatnya dan memutus ikatan kovalen. Ikatan kovalen yang rusak ini menghasilkan elektron bebas yang mengembara secara acak. Tetapimoved away electrons menciptakan ruang kosong atau valensi di belakang, yang disebut sebagai a hole.
Lubang yang merepresentasikan elektron yang hilang ini dapat dianggap sebagai muatan positif satuan sedangkan elektron dianggap sebagai muatan negatif. Elektron yang dibebaskan bergerak secara acak tetapi ketika beberapa medan listrik eksternal diterapkan, elektron-elektron ini bergerak berlawanan arah dengan medan yang diterapkan. Tetapi lubang yang dibuat karena tidak adanya elektron, bergerak ke arah medan yang diterapkan.
Lubang Arus
Telah dipahami bahwa ketika ikatan kovalen putus, sebuah lubang dibuat. Sebenarnya, ada kecenderungan kuat kristal semikonduktor membentuk ikatan kovalen. Jadi, lubang cenderung tidak ada di dalam kristal. Hal ini dapat lebih dipahami dengan gambar berikut, yang menunjukkan kisi kristal semikonduktor.
Sebuah elektron, ketika bergeser dari tempat A, sebuah lubang terbentuk. Karena kecenderungan pembentukan ikatan kovalen, elektron dari B bergeser ke A. Sekarang, sekali lagi untuk menyeimbangkan ikatan kovalen di B, elektron bergeser dari C ke B. Ini terus membangun jalur. Pergerakan lubang tanpa adanya bidang terapan ini bersifat acak. Tetapi ketika medan listrik diterapkan, lubang melayang di sepanjang bidang yang diterapkan, yang merupakanhole current. Ini disebut sebagai arus lubang tetapi bukan arus elektron karena, pergerakan lubang berkontribusi pada aliran arus.
Elektron dan lubang saat bergerak acak, dapat bertemu satu sama lain, untuk membentuk pasangan. Rekombinasi ini menghasilkan pelepasan panas, yang memutus ikatan kovalen lainnya. Ketika suhu meningkat, laju pembentukan elektron dan lubang meningkat, sehingga laju rekombinasi meningkat, yang menghasilkan peningkatan kerapatan elektron dan lubang. Akibatnya, konduktivitas semikonduktor meningkat dan resistivitas menurun yang berarti koefisien temperatur negatif.
Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor dalam bentuknya yang sangat murni disebut sebagai intrinsic semiconductor. Sifat-sifat semikonduktor murni ini adalah sebagai berikut -
- Elektron dan lubang hanya dibuat oleh eksitasi termal.
- Jumlah elektron bebas sama dengan jumlah lubang.
- Kemampuan konduksi kecil pada suhu kamar.
Untuk meningkatkan kemampuan konduksi semikonduktor intrinsik, lebih baik menambahkan beberapa pengotor. Proses penambahan pengotor ini disebut sebagaiDoping. Sekarang, semikonduktor intrinsik yang didoping ini disebut sebagai Semikonduktor Ekstrinsik.
Doping
Proses penambahan pengotor ke bahan semikonduktor disebut sebagai doping. Pengotor yang ditambahkan, umumnya adalah pengotor pentavalen dan trivalen.
Pentavalent Impurities
Itu pentavalentpengotor adalah yang memiliki lima elektron valensi di orbit paling luar. Contoh: Bismuth, Antimony, Arsenic, Phosphorus
Atom pentavalen disebut sebagai a donor atom karena ia menyumbangkan satu elektron ke pita konduksi atom semikonduktor murni.
Trivalent Impurities
Itu trivalentpengotor adalah yang memiliki tiga elektron valensi di orbit paling luar. Contoh: Gallium, Indium, Aluminium, Boron
Atom trivalen disebut sebagai acceptor atom karena menerima satu elektron dari atom semikonduktor.
Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor tidak murni, yang dibentuk dengan doping semikonduktor murni disebut sebagai extrinsic semiconductor. Ada dua jenis semikonduktor ekstrinsik tergantung pada jenis pengotor yang ditambahkan. Mereka adalah semikonduktor ekstrinsik tipe-N dan semikonduktor ekstrinsik Tipe-P.
Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-N
Sejumlah kecil pengotor pentavalen ditambahkan ke semikonduktor murni untuk menghasilkan semikonduktor ekstrinsik tipe N. Pengotor yang ditambahkan memiliki 5 elektron valensi.
Misalnya, jika atom Arsen ditambahkan ke atom germanium, empat elektron valensi terikat dengan atom Ge sementara satu elektron tetap sebagai elektron bebas. Ini seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Semua elektron bebas ini membentuk arus elektron. Oleh karena itu, pengotor ketika ditambahkan ke semikonduktor murni, menyediakan elektron untuk konduksi.
Dalam semikonduktor ekstrinsik tipe-N, saat konduksi terjadi melalui elektron, elektron adalah pembawa mayoritas dan lubangnya adalah pembawa minoritas.
Karena tidak ada penambahan muatan positif atau negatif, elektron secara elektrik netral.
Ketika medan listrik diterapkan ke semikonduktor tipe-N, yang ditambahkan pengotor pentavalen, elektron bebas bergerak menuju elektroda positif. Ini disebut konduktivitas negatif atau tipe-N.
Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-P
Sejumlah kecil pengotor trivalen ditambahkan ke semikonduktor murni untuk menghasilkan semikonduktor ekstrinsik tipe-P. Pengotor yang ditambahkan memiliki 3 elektron valensi. Misalnya, jika atom Boron ditambahkan ke atom germanium, tiga elektron valensi terikat dengan atom Ge, membentuk tiga ikatan kovalen. Tapi, satu elektron lagi di germanium tetap ada tanpa membentuk ikatan apa pun. Karena tidak ada elektron dalam boron yang tersisa untuk membentuk ikatan kovalen, ruang tersebut diperlakukan sebagai lubang. Ini seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Pengotor boron bila ditambahkan dalam jumlah kecil, memberikan sejumlah lubang yang membantu dalam konduksi. Semua lubang ini merupakan arus lubang.
Dalam semikonduktor ekstrinsik tipe-P, saat konduksi terjadi melalui lubang, lubang adalah pembawa mayoritas sedangkan elektron adalah pembawa minoritas.
Pengotor yang ditambahkan di sini memberikan lubang yang disebut sebagai acceptors, karena mereka menerima elektron dari atom germanium.
Karena jumlah lubang bergerak tetap sama dengan jumlah akseptor, semikonduktor Ptype tetap netral secara elektrik.
Ketika medan listrik diterapkan pada semikonduktor tipe-P, yang ditambahkan pengotor trivalen, lubang bergerak menuju elektroda negatif, tetapi dengan kecepatan yang lebih lambat daripada elektron. Ini disebut sebagai konduktivitas tipe-P.
Dalam konduktivitas tipe-P ini, elektron valensi berpindah dari satu ikatan kovalen ke yang lain, tidak seperti tipe-N.
Mengapa Silikon Lebih Disukai dalam Semikonduktor?
Di antara bahan semikonduktor seperti germanium dan silikon, bahan yang banyak digunakan untuk pembuatan berbagai komponen elektronik adalah Silicon (Si). Silikon lebih disukai daripada germanium karena berbagai alasan seperti -
Celah pita energi adalah 0.7ev, sedangkan untuk germanium adalah 0.2ev.
Generasi pasangan termal lebih kecil.
Pembentukan lapisan SiO2 mudah dilakukan oleh silikon, yang membantu dalam pembuatan banyak komponen bersama dengan teknologi integrasi.
Si lebih mudah ditemukan di alam daripada Ge.
Kebisingan lebih sedikit pada komponen yang terdiri dari Si daripada di Ge.
Karenanya, Silikon digunakan dalam pembuatan banyak komponen elektronik, yang digunakan untuk membuat sirkuit berbeda untuk berbagai keperluan. Komponen-komponen ini memiliki sifat individu dan kegunaan tertentu.
Komponen elektronik utama meliputi - Resistor, resistor variabel, Kapasitor, kapasitor variabel, Induktor, Dioda, Dioda Terowongan, Dioda Varactor, Transistor, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, Sel Surya, Termistor, Varistor, Transformer, Sakelar , relai, dll.