Elektron dan “lubang'’

Semikonduktor murni adalah isolator yang relatif baik dibandingkan dengan logam, meskipun tidak sebagus isolator sejati seperti kaca. Agar berguna dalam aplikasi semikonduktor, semikonduktor intrinsik (semikonduktor murni yang tidak didoping) tidak boleh memiliki lebih dari satu atom pengotor dalam 10 miliar atom semikonduktor. Ini analog dengan sebutir pengotor garam dalam gerbong kereta api gula. Semikonduktor yang tidak murni atau kotor jauh lebih konduktif, meskipun tidak sebagus logam. Mengapa ini bisa terjadi? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kita harus melihat struktur elektron dari material tersebut pada Gambar di bawah ini.

Struktur Elektron

Gambar di bawah (a) menunjukkan empat elektron dalam kulit valensi semikonduktor yang membentuk ikatan kovalen dengan empat atom lainnya. Ini adalah versi Gambar di atas yang diratakan dan lebih mudah digambar. Semua elektron atom terikat dalam empat ikatan kovalen, pasangan elektron bersama. Elektron tidak bebas bergerak di sekitar kisi kristal. Dengan demikian, semikonduktor intrinsik, murni, adalah isolator yang relatif baik dibandingkan dengan logam.

(a) Semikonduktor intrinsik adalah isolator yang memiliki kulit elektron lengkap. (b) Namun, energi panas dapat menciptakan beberapa pasangan elektron-lubang yang mengakibatkan konduksi lemah.

Energi panas kadang-kadang dapat membebaskan elektron dari kisi kristal seperti pada Gambar di atas (b). Elektron ini bebas untuk konduksi di sekitar kisi kristal. Ketika elektron dibebaskan, ia meninggalkan tempat kosong dengan muatan positif dalam kisi kristal yang dikenal sebagai lubang . Lubang ini tidak dipasang pada kisi; tapi, bebas bergerak. Elektron bebas dan hole keduanya berkontribusi pada konduksi di sekitar kisi kristal. Artinya, elektron bebas sampai jatuh ke dalam lubang. Ini disebut rekombinasi . Jika medan listrik eksternal diterapkan ke semikonduktor, elektron dan lubang akan melakukan dalam arah yang berlawanan. Peningkatan suhu akan meningkatkan jumlah elektron dan lubang, menurunkan resistansi. Ini kebalikan dari logam, di mana resistensi meningkat dengan suhu dengan meningkatkan tumbukan elektron dengan kisi kristal. Jumlah elektron dan hole dalam semikonduktor intrinsik adalah sama. Namun, kedua pembawa tidak harus bergerak dengan kecepatan yang sama dengan penerapan medan eksternal. Cara lain untuk menyatakan ini adalah mobilitas tidak sama untuk elektron dan hole.

Kotoran Semikonduktor

Semikonduktor murni, dengan sendirinya, tidak terlalu berguna. Padahal, semikonduktor harus disempurnakan ke tingkat kemurnian yang tinggi sebagai titik awal sebelum penambahan pengotor tertentu.

Bahan semikonduktor murni hingga 1 bagian dalam 10 miliar, mungkin memiliki pengotor spesifik yang ditambahkan sekitar 1 bagian per 10 juta untuk meningkatkan jumlah pembawa. Penambahan pengotor yang diinginkan ke semikonduktor dikenal sebagai doping . Doping meningkatkan konduktivitas semikonduktor sehingga lebih sebanding dengan logam daripada isolator.

Hal ini dimungkinkan untuk meningkatkan jumlah pembawa muatan negatif dalam kisi kristal semikonduktor dengan doping dengan elektron donor seperti Fosfor. Donor elektron, juga dikenal sebagai tipe-N dopan termasuk unsur-unsur dari kelompok VA dari tabel periodik:nitrogen, fosfor, arsenik, dan antimon. Nitrogen dan fosfor adalah dopan tipe-N untuk berlian. Fosfor, arsenik, dan antimon digunakan dengan silikon.

Kisi kristal pada Gambar di bawah (b) berisi atom yang memiliki empat elektron di kulit terluar, membentuk empat ikatan kovalen dengan atom yang berdekatan. Ini adalah kisi kristal yang diantisipasi. Penambahan atom fosfor dengan lima elektron di kulit terluar memasukkan elektron ekstra ke dalam kisi dibandingkan dengan atom silikon. Pengotor pentavalen membentuk empat ikatan kovalen dengan empat atom silikon dengan empat dari lima elektron, masuk ke dalam kisi dengan satu elektron tersisa. Perhatikan bahwa elektron cadangan ini tidak terikat kuat pada kisi seperti elektron atom Si normal. Ini bebas untuk bergerak di sekitar kisi kristal, tidak terikat ke situs kisi Fosfor. Karena kita telah mendoping satu bagian fosfor dalam 10 juta atom silikon, hanya sedikit elektron bebas yang tercipta dibandingkan dengan banyak atom silikon. Namun, banyak elektron diciptakan dibandingkan dengan pasangan elektron-lubang yang lebih sedikit dalam silikon intrinsik. Penerapan medan listrik eksternal menghasilkan konduksi kuat dalam semikonduktor yang didoping di pita konduksi (di atas pita valensi). Tingkat doping yang lebih berat menghasilkan konduksi yang lebih kuat. Dengan demikian, semikonduktor intrinsik yang konduktornya buruk telah diubah menjadi konduktor listrik yang baik.

(a) Konfigurasi elektron kulit terluar dari Fosfor tipe-N donor, Silikon (untuk referensi), dan akseptor Boron tipe-P. (b) pengotor donor tipe-N menciptakan elektron bebas (c) pengotor akseptor tipe-P menciptakan lubang, pembawa muatan positif.

Hal ini juga memungkinkan untuk memperkenalkan pengotor kekurangan elektron dibandingkan dengan silikon, memiliki tiga elektron di kulit valensi dibandingkan dengan empat untuk silikon. Pada Gambar di atas (c), ini meninggalkan tempat kosong yang dikenal sebagai lubang , pembawa muatan positif. Atom boron mencoba untuk mengikat empat atom silikon, tetapi hanya memiliki tiga elektron pada pita valensi. Dalam upaya untuk membentuk empat ikatan kovalen, tiga elektron bergerak mencoba membentuk empat ikatan. Ini membuat lubang tampak bergerak. Selanjutnya, atom trivalen dapat meminjam elektron dari atom silikon yang berdekatan (atau lebih jauh) untuk membentuk empat ikatan kovalen. Namun, ini membuat atom silikon kekurangan satu elektron. Dengan kata lain, lubang telah pindah ke atom silikon yang berdekatan (atau lebih jauh). Lubang berada di pita valensi, tingkat di bawah pita konduksi. Doping dengan akseptor elektron , sebuah atom yang dapat menerima elektron, menciptakan kekurangan elektron, sama seperti kelebihan lubang. Karena lubang adalah pembawa muatan positif, dopan penerima elektron juga dikenal sebagai tipe-P dopan Dopan tipe-P meninggalkan semikonduktor dengan kelebihan lubang, pembawa muatan positif. Unsur-unsur tipe-P dari golongan IIIA dari tabel periodik termasuk boron, aluminium, galium, dan indium. Boron digunakan sebagai dopan tipe-P untuk semikonduktor silikon dan berlian, sedangkan indium digunakan dengan germanium.

Analogi "marmer dalam tabung" dengan konduksi elektron pada Gambar di bawah ini menghubungkan pergerakan lubang dengan pergerakan elektron. Kelereng mewakili elektron dalam konduktor, tabung. Pergerakan elektron dari kiri ke kanan seperti pada kawat atau semikonduktor tipe-N dijelaskan oleh elektron yang memasuki tabung di sebelah kiri memaksa keluarnya elektron di sebelah kanan. Konduksi elektron tipe-N terjadi pada pita konduksi. Bandingkan dengan pergerakan lubang di pita valensi.

Marmer dalam tabung analogi:(a) Elektron bergerak ke kanan di pita konduksi saat elektron memasuki tabung. (b) Lubang bergerak ke kanan di pita valensi saat elektron bergerak ke kiri.

Agar lubang masuk di sebelah kiri Gambar di atas (b), sebuah elektron harus dilepaskan. Saat memindahkan lubang dari kiri ke kanan, elektron harus dipindahkan dari kanan ke kiri. Elektron pertama dikeluarkan dari ujung kiri tabung sehingga lubang dapat bergerak ke kanan ke dalam tabung. Elektron bergerak berlawanan arah dengan lubang positif. Saat lubang bergerak lebih jauh ke kanan, elektron harus bergerak ke kiri untuk mengakomodasi lubang. Lubang karena tidak adanya elektron di pita valensi karena doping tipe-P. Ini memiliki muatan positif lokal. Untuk memindahkan lubang ke arah tertentu, elektron valensi bergerak ke arah yang berlawanan.

Aliran elektron dalam semikonduktor tipe-N mirip dengan elektron yang bergerak dalam kawat logam. Atom dopan tipe-N akan menghasilkan elektron yang tersedia untuk konduksi. Elektron ini, karena dopannya dikenal sebagai pembawa mayoritas , karena mereka berada di mayoritas dibandingkan dengan lubang termal yang sangat sedikit. Jika medan listrik diterapkan melintasi batang semikonduktor tipe-N pada Gambar di bawah (a), elektron memasuki ujung negatif (kiri) batang, melintasi kisi kristal, dan keluar di kanan ke terminal baterai (+).

(a) Semikonduktor tipe-n dengan elektron bergerak dari kiri ke kanan melalui kisi kristal. (b) Semikonduktor tipe-p dengan lubang yang bergerak dari kiri ke kanan, yang sesuai dengan elektron yang bergerak dalam arah yang berlawanan.

Aliran arus dalam semikonduktor tipe-P sedikit lebih sulit dijelaskan. Dopan tipe-P, akseptor elektron, menghasilkan daerah muatan positif lokal yang dikenal sebagai lubang. Pembawa mayoritas dalam semikonduktor tipe-P adalah lubang. Sementara lubang terbentuk di situs atom dopan trivalen, mereka dapat bergerak di sekitar batang semikonduktor. Perhatikan bahwa baterai pada Gambar di atas (b) dibalik dari (a). Terminal baterai positif terhubung ke ujung kiri bilah tipe-P. Aliran elektron keluar dari terminal baterai negatif, melalui batang tipe-P, kembali ke terminal baterai positif. Sebuah elektron yang meninggalkan ujung positif (kiri) batang semikonduktor menuju terminal baterai positif meninggalkan lubang di semikonduktor, yang dapat bergerak ke kanan. Lubang melintasi kisi kristal dari kiri ke kanan. Di ujung negatif batang, elektron dari baterai bergabung dengan lubang, menetralkannya. Ini memberi ruang bagi lubang lain untuk bergerak di ujung positif bar ke arah kanan. Perlu diingat bahwa saat lubang bergerak dari kiri ke kanan, sebenarnya elektron yang bergerak ke arah yang berlawananlah yang bertanggung jawab atas pergerakan lubang yang tampak.

Elemen yang digunakan untuk Menghasilkan Semikonduktor

Unsur-unsur yang digunakan untuk menghasilkan semikonduktor diringkas dalam Gambar di bawah ini. Bahan semikonduktor curah kelompok IVA tertua germanium hanya digunakan sampai batas tertentu saat ini. Semikonduktor berbasis silikon menyumbang sekitar 90% dari produksi komersial semua semikonduktor. Semikonduktor berbasis berlian merupakan kegiatan penelitian dan pengembangan dengan potensi yang cukup besar saat ini. Senyawa semikonduktor yang tidak terdaftar termasuk silikon germanium (lapisan tipis pada wafer Si), silikon karbida dan senyawa III-V seperti galium arsenida. Semikonduktor senyawa III-VI meliputi AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_x Ga_1-x Sebagai, dan Dalam_x Ga_1-x Sebagai. Kolom II dan VI dari tabel periodik, yang tidak ditunjukkan pada gambar, juga membentuk semikonduktor majemuk.

Dopan tipe-P Grup IIIA, bahan semikonduktor dasar grup IV, dan dopan tipe-N grup VA.

Alasan utama dimasukkannya grup IIIA dan VA pada Gambar di atas adalah untuk menunjukkan dopan yang digunakan dengan semikonduktor grup IVA. Unsur golongan IIIA adalah akseptor, dopan tipe-P, yang menerima elektron meninggalkan lubang di kisi kristal, pembawa positif. Boron adalah dopan tipe-P untuk berlian dan dopan paling umum untuk semikonduktor silikon. Indium adalah dopan tipe-P untuk germanium.

Unsur golongan VA adalah donor, dopan tipe-N, yang menghasilkan elektron bebas. Nitrogen dan Fosfor adalah dopan tipe-N yang cocok untuk berlian. Fosfor dan arsenik adalah dopan tipe-N yang paling umum digunakan untuk silikon; meskipun, antimon dapat digunakan.

TINJAUAN:

• Material semikonduktor intrinsik, murni 1 bagian dalam 10 miliar, adalah konduktor yang buruk.
• Sebuah semikonduktor tipe-N didoping dengan pengotor pentavalen untuk menciptakan elektron bebas. Bahan semacam itu bersifat konduktif. Elektron adalah pembawa mayoritas.
• Semikonduktor tipe-P, yang diolah dengan pengotor trivalen, memiliki banyak lubang bebas. Ini adalah pembawa muatan positif. Bahan tipe-P bersifat konduktif. Lubang adalah pembawa mayoritas.
• Sebagian besar semikonduktor didasarkan pada unsur-unsur dari golongan IVA dari tabel periodik, silikon adalah yang paling umum. Germanium sudah usang. Karbon (berlian) sedang dikembangkan.
• Semiduktor senyawa seperti silikon karbida (golongan IVA) dan galium arsenida (golongan III-V) banyak digunakan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduksi Listrik pada Semikonduktor