Memahami Elektron, Lob, dan Doping dalam Semikonduktor

Semikonduktor murni menunjukkan resistensi yang jauh lebih tinggi daripada logam, namun jauh lebih sedikit isolasi daripada bahan seperti kaca. Agar semikonduktor intrinsik (tidak didoping) berfungsi secara efektif, kekemurniannya harus mencapai setidaknya satu cacat per 10 miliar atom—setara dengan satu butir garam dalam gerbong kereta api gula. Memperkenalkan ketidaksesungan sengaja—doping—secara signifikan meningkatkan konduktivitas, meskipun masih kurang dari tingkat logam. Memahami mengapa memerlukan pemeriksaan struktur elektron bahan (lihat Gambar).

Struktur Elektron

Gambar (a) menunjukkan empat elektron valensi pada atom semikonduktor yang membentuk ikatan kovalen dengan empat atom tetangga. Semua elektron terkunci dalam ikatan ini, tidak ada pembawa muatan bebas; akibatnya, semikonduktor intrinsik berperilaku sebagai isolator yang relatif baik dibandingkan dengan logam.

(a) Semikonduktor intrinsik adalah isolator dengan lapisan valensi terisi. (b) Penggerakan termal dapat melepaskan beberapa pasangan elektron-lob, menghasilkan konduksi lemah.

Energi termal sesekali melepaskan elektron dari jaringan kristal, seperti diilustrasikan pada Gambar (b). Elektron yang dilepaskan dapat bergerak bebas melalui jaringan, sementara rongga yang ditinggalkan memiliki muatan positif—sebuah lob. Baik elektron maupun lob berkontribusi pada arus; elektron akhirnya merekombinasikan dengan lob saat kembali ke jaringan. Ketika medan listrik eksternal diterapkan, elektron dan lob bergerak dalam arah yang berlawanan. Peningkatan suhu menciptakan lebih banyak pembawa, sehingga mengurangi resistansi—perilaku yang berlawanan dengan logam, di mana resistansi naik dengan suhu karena peningkatan pencaran. Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron dan lob sama, namun mobilitas mereka berbeda.

Ketidaksesungan Semikonduktor

Semikonduktor murni sendirian jarang berguna; mereka harus difinasikan terlebih dahulu dengan tingkat kekemurnian yang sangat tinggi. Bahan yang 1 bagian per 10 miliar murni kemudian dapat didoping dengan ketidaksesungan sekitar 1 bagian per 10 juta untuk meningkatkan densitas pembawa. Penambahan sengaja atom asing—disebut doping—mengubah kristal menjadi konduktor yang bersaing dengan logam.

Menambahkan pemberi elektron (dopant N-tipe) seperti fosfor meningkatkan jumlah pembawa muatan negatif. Pemberi berasal dari golongan VA (nitrogen, fosfor, arsenik, antimoni). Fosfor, misalnya, memiliki lima elektron valensi; ia terikat dengan empat atom silikon dan mempertahankan satu elektron yang terikat longgar yang bebas untuk bergerak. Dengan konsentrasi doping 1 ppm (1 bagian per 10 juta), densitas elektron yang dihasilkan jauh melebihi silikon intrinsik, memungkinkan konduksi yang kuat di band konduksi.

(a) Konfigurasi lapisan luar pemberi N-tipe fosfor, silikon, dan penerima P-tipe bor. (b) Impuritas pemberi N-tipe menciptakan elektron bebas. (c) Impuritas penerima P-tipe menciptakan lob, pembawa muatan positif.

Sebaliknya, memperkenalkan penerima elektron (dopant P-tipe) dengan hanya tiga elektron valensi—seperti bor—menciptakan rongga, atau lob, dalam jaringan. Bor mencoba membentuk empat ikatan kovalen tetapi hanya dapat menyediakan tiga elektron, meninggalkan situs kosong yang bertindak sebagai pembawa positif seluler di band valensi. Elemen P-tipe berasal dari golongan IIIA (bor, aluminium, galium, indium); bor adalah dopant standar untuk silikon dan diamond, sementara indium digunakan untuk germanium.

Analogi "kelereng dalam tabung" mengilustrasikan bagaimana lob bergerak: elektron yang bergerak dari kiri ke kanan meninggalkan tempat yang tampak bergerak ke kanan. Elektron dalam bahan N-tipe bergerak ke kanan di bawah medan listrik, sedangkan lob dalam bahan P-tipe bergerak ke kanan, sesuai dengan elektron yang bergerak ke kiri.

Analogi kelereng dalam tabung: (a) Elektron mengalir ke kanan di band konduksi. (b) Lob mengalir ke kanan di band valensi.

Dalam semikonduktor N-tipe, pembawa mayoritas adalah elektron bebas. Ketika tegangan diterapkan, elektron memasuki sisi negatif, melintasi jaringan, dan keluar di sisi positif, membentuk arus analog dengan kawat logam.

(a) Semikonduktor N-tipe: elektron bergerak dari kiri ke kanan. (b) Semikonduktor P-tipe: lob bergerak dari kiri ke kanan, setara dengan elektron yang bergerak dari kanan ke kiri.

Dalam batang P-tipe, lob adalah pembawa mayoritas. Polaritas baterai yang terbalik menyebabkan elektron meninggalkan ujung kiri untuk terminal positif, menciptakan lob yang bergerak ke kanan. Di ujung negatif, elektron baterai merekombinasikan dengan lob, memungkinkan lob lain untuk masuk dari kiri. Gerakan lob yang tampak didorong oleh elektron yang bergerak berlawanan dengan medan yang diterapkan.

Elemen yang Digunakan untuk Memproduksi Semikonduktor

Gambar di bawah ini merangkum bahan semikonduktor utama dan dopant umum mereka:

Dopant P-tipe golongan IIIA, semikonduktor dasar golongan IVA, dan dopant N-tipe golongan VA.

Silikon tetap menjadi tonggak industri, mencakup sekitar 90 % produksi komersial. Germanium sebagian besar sudah usang, sementara diamond adalah platform penelitian yang berkembang. Semikonduktor kompad seperti karbida silikon (golongan IVA) dan arsenida galium (golongan III-V) banyak digunakan dalam elektronika daya dan optoelektronika. Tabel juga mencantumkan senyawa III-VI (AlN, GaN, InN, dll.) dan bahan II-VI lainnya.

• Kekemurnian semikonduktor intrinsik: 1 bagian per 10 miliar → konduktor buruk.
• Doping N-tipe: impuritas pentavalent → elektron bebas mendominasi → konduktivitas tinggi.
• Doping P-tipe: impuritas trivalent → lob berlebih mendominasi → konduktivitas tinggi.
• Silikon adalah elemen predominant; germanium hampir usang; karbon (diamond) berkembang.
• Semikonduktor kompad (SiC, GaAs) banyak digunakan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduksi Listrik dalam Semikonduktor