Dalam posting ini kita belajar secara komprehensif mengenai prinsip kerja dasar perangkat semikonduktor, dan bagaimana struktur internal semikonduktor berfungsi di bawah pengaruh listrik.
Nilai resistivitas antar material semikonduktor ini tidak memiliki karakteristik konduktor yang lengkap maupun isolator yang lengkap, hal ini berada diantara kedua batasan tersebut.
Fitur ini dapat menentukan properti semikonduktor material, namun akan menarik untuk mengetahui bagaimana semikonduktor bekerja antara konduktor dan isolator.
Resistivitas
Menurut Hukum Ohm, hambatan listrik perangkat elektronik didefinisikan sebagai rasio beda potensial di seluruh komponen dengan arus yang mengalir melalui komponen.
Sekarang menggunakan pengukuran resistansi dapat menimbulkan satu masalah, nilainya berubah seiring dengan perubahan dimensi fisik material resistif.
Misalnya ketika material resistif bertambah panjang, nilai resistansinya juga meningkat secara proporsional.
Begitu pula ketika ketebalannya bertambah nilai resistansinya menurun secara proporsional.
Kebutuhan di sini adalah untuk menentukan bahan yang dapat menunjukkan sifat konduksi atau perlawanan terhadap arus listrik terlepas dari ukuran, bentuk atau tampilan fisiknya.
Besarnya untuk menyatakan nilai resistansi khusus ini dikenal sebagai Resistivitas, yang memiliki simbol ρ, (Rho)
Satuan pengukuran resistivitas adalah Ohm-meter (Ω.m), dan dapat dipahami sebagai parameter yang membalik konduktivitas.
Untuk mendapatkan perbandingan antara resistivitas beberapa bahan, ini diklasifikasikan menjadi 3 kategori utama: Konduktor, Isolator, dan Semi Konduktor. Bagan di bawah ini memberikan detail yang diperlukan:
Seperti yang Anda lihat pada gambar di atas, ada perbedaan yang dapat diabaikan di seluruh resistivitas konduktor seperti emas dan perak, sedangkan, mungkin ada sejumlah besar perbedaan resistivitas di seluruh isolator seperti kuarsa dan kaca.
Ini karena respons mereka terhadap suhu sekitar yang membuat logam menjadi konduktor yang sangat efisien daripada isolator
Konduktor
Dari bagan di atas kita memahami bahwa konduktor memiliki jumlah resistivitas paling sedikit, yang biasanya dalam mikroohm / meter.
Karena resistivitasnya yang rendah, arus listrik dapat melewatinya dengan mudah, karena ketersediaan elektron dalam jumlah besar.
Namun elektron-elektron ini dapat didorong hanya jika ada tekanan pada konduktor, dan tekanan ini dapat dibentuk a dengan menerapkan tegangan pada konduktor.
Jadi, ketika konduktor diterapkan dengan beda potensial positif / negatif, elektron bebas dari setiap atom konduktor dipaksa untuk terlepas dari atom induknya dan mereka mulai melayang di dalam konduktor, dan umumnya dikenal sebagai aliran arus. .
Tingkat pergerakan elektron-elektron ini bergantung pada seberapa mudah elektron-elektron tersebut dapat dibebaskan dari atomnya, sebagai respons terhadap perbedaan tegangan.
Logam umumnya dianggap sebagai konduktor listrik yang baik, dan di antara logam, emas, perak, tembaga, dan aluminium adalah konduktor terbaik secara tertib.
Karena konduktor ini memiliki sangat sedikit elektron di pita valensi atomnya, konduktor tersebut dengan mudah terlepas oleh beda potensial dan mereka mulai melompat dari satu atom ke atom berikutnya melalui proses yang disebut 'Efek Domino', menghasilkan aliran arus melintasi kondektur.
Meskipun emas dan perak adalah konduktor listrik terbaik, tembaga dan aluminium lebih disukai untuk membuat kabel dan kabel karena harganya yang murah dan berlimpah, serta kekokohan fisiknya.
Terlepas dari kenyataan bahwa tembaga dan aluminium adalah konduktor listrik yang baik, mereka masih memiliki beberapa hambatan, karena tidak ada yang 100% ideal.
Meskipun kecil, hambatan yang ditawarkan oleh konduktor ini dapat menjadi signifikan dengan penerapan arus yang lebih tinggi. Akhirnya resistansi terhadap arus yang lebih tinggi pada konduktor ini menghilang sebagai panas.
Insulator
Berlawanan dengan konduktor, isolator adalah konduktor listrik yang buruk. Ini umumnya dalam bentuk non-logam dan memiliki sangat sedikit elektron yang rentan atau bebas dengan atom induknya.
Artinya elektron non-logam ini terikat erat dengan atom induknya, yang sangat sulit dilepaskan dengan penerapan tegangan.
Karena fitur ini, ketika tegangan listrik diterapkan, elektron gagal menjauh dari atom sehingga tidak ada aliran elektron dan oleh karena itu tidak ada konduksi yang terjadi.
Properti ini menyebabkan nilai resistansi yang sangat tinggi terhadap isolator, di kisaran jutaan Ohm.
Material seperti kaca, marmer, PVC, plastik, kuarsa, karet, mika, bakelite adalah contoh isolator yang baik.
Sama seperti konduktor, isolator juga memainkan peran penting dalam bidang elektronik. Tanpa isolator, perbedaan tegangan tidak mungkin diisolasi di seluruh tahapan rangkaian, yang menyebabkan korsleting.
Misalnya, kita melihat penggunaan porselen dan kaca di menara tegangan tinggi untuk mentransmisikan daya AC dengan aman melalui kabel. Di kabel kami menggunakan PVC untuk mengisolasi terminal positif, negatif, dan di PCB kami menggunakan Bakelite untuk mengisolasi trek tembaga satu sama lain.
Dasar-dasar Semikonduktor
Bahan seperti silikon (Si), germanium (Ge) dan Gallium arsenide berada di bawah bahan semikonduktor dasar. Itu karena bahan-bahan ini memiliki karakteristik penghantar listrik yang tidak menghasilkan konduksi yang tepat atau isolasi yang tepat. Karena sifat ini, bahan-bahan ini dinamai semikonduktor.
Bahan-bahan ini menunjukkan sangat sedikit elektron bebas di seluruh atomnya, yang dikelompokkan secara ketat dalam jenis formasi kisi kristal. Namun, elektron dapat terlepas dan mengalir, tetapi hanya jika kondisi tertentu digunakan.
Karena itu, menjadi mungkin untuk meningkatkan laju konduksi dalam semikonduktor ini dengan memasukkan atau mengganti beberapa jenis atom 'donor' atau 'akseptor' ke tata letak kristal, memungkinkan pelepasan 'elektron bebas' ekstra dan 'lubang' atau wakil sebaliknya.
Ini dilaksanakan dengan memasukkan sejumlah bahan eksternal ke bahan yang sudah ada seperti silikon atau Germanium.
Dengan sendirinya, bahan seperti silikon dan Germanium dikategorikan sebagai semikonduktor intrinsik, karena sifat kimianya yang sangat murni, dan adanya bahan semikonduktif yang lengkap.
Ini juga berarti bahwa, dengan menerapkan jumlah pengotor yang terkontrol ke dalamnya, kita dapat menentukan laju konduksi pada bahan intrinsik ini.
Kami dapat memperkenalkan jenis pengotor yang disebut sebagai donor atau akseptor untuk bahan ini untuk menyempurnakannya dengan elektron bebas atau lubang bebas.
Dalam proses ini ketika pengotor ditambahkan ke bahan intrinsik dalam proporsi 1 atom pengotor per 10 juta atom bahan semikonduktor, itu disebut sebagai Doping .
Dengan diperkenalkannya pengotor yang cukup, bahan semikonduktor dapat diubah menjadi bahan tipe-N atau Tipe-P.
Silikon adalah salah satu bahan semikonduktor paling populer, memiliki 4 elektron valensi di kulit terluarnya, dan juga dikelilingi oleh atom yang berdampingan membentuk total orbit 8 elektron.
Ikatan antara dua atom silikon dikembangkan sedemikian rupa, sehingga memungkinkan berbagi satu elektron dengan atom yang berdampingan, mengarah pada ikatan stabil yang baik.
Dalam bentuknya yang murni, kristal silikon mungkin memiliki sangat sedikit elektron valensi bebas, yang dikaitkan dengan sifat isolator yang baik, yang memiliki nilai resistansi ekstrim.
Menghubungkan bahan silikon ke perbedaan potensial tidak akan membantu konduksi apa pun yang melewatinya, kecuali beberapa jenis polaritas positif atau negatif dibuat ke dalamnya.
Dan untuk menciptakan polaritas seperti itu, proses Doping diimplementasikan ke dalam bahan-bahan ini dengan menambahkan pengotor seperti yang dibahas pada paragraf sebelumnya.
Memahami Struktur Atom Silikon
Pada gambar di atas kita melihat bagaimana struktur kisi kristal silikon murni biasa terlihat. Untuk pengotor, biasanya bahan seperti Arsenik, Antimon atau Fosfor dimasukkan ke dalam kristal semikonduktor yang mengubahnya menjadi ekstrinsik, yang berarti 'memiliki pengotor'.
Pengotor yang disebutkan terdiri dari 5 elektron pada pita terluarnya yang dikenal sebagai pengotor 'Pentavalen', untuk berbagi dengan atom yang berdampingan.
Ini memastikan bahwa 4 di antara 5 atom dapat bergabung dengan atom silikon yang berdampingan, tidak termasuk satu 'elektron bebas' yang dapat dibebaskan ketika tegangan listrik disambungkan.
Dalam proses ini, karena atom tidak murni mulai 'menyumbangkan' setiap elektron ke atom terdekatnya, atom 'Pentavalen' dinamai sebagai 'donor'.
Menggunakan Antimony untuk Doping
Antimony (Sb) dan Phosphorous (P) sering menjadi pilihan terbaik untuk memperkenalkan pengotor 'Pentavalent' pada silikon. 
Dalam Antimony 51 elektron disusun melintasi 5 kulit di sekitar nukleusnya, sedangkan pita terluarnya terdiri dari 5 elektron.
Karena itu, bahan semikonduktor dasar dapat memperoleh tambahan elektron pembawa arus, masing-masing dihubungkan dengan muatan negatif. Oleh karena itu dinamai 'material tipe-N'.
Juga, elektron dinamai 'Pembawa Mayoritas' dan lubang yang berkembang selanjutnya disebut sebagai 'Pembawa Minoritas'.
Ketika semikonduktor yang di-doping Antimon dikenakan potensial listrik, elektron yang kebetulan terlempar akan segera diganti oleh elektron bebas dari atom Antimon. Namun, karena proses tersebut akhirnya membuat elektron bebas mengambang di dalam kristal yang didoping, ini menyebabkannya menjadi bahan bermuatan negatif.
Dalam hal ini, semikonduktor dapat disebut tipe-N jika memiliki kerapatan donor lebih tinggi dari kerapatan akseptornya. Artinya bila jumlah elektron bebas lebih tinggi dibandingkan dengan jumlah lubangnya, menyebabkan polarisasi negatif, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Memahami Semikonduktor Tipe-P
Jika kita mempertimbangkan situasi sebaliknya, memasukkan pengotor 3 elektron 'Trivalen' ke dalam kristal semikonduktor, misalnya jika kita memasukkan aluminium, boron, atau indium, yang mengandung 3 elektron dalam ikatan valensinya, oleh karena itu ikatan ke-4 menjadi tidak mungkin terbentuk.
Karena itu, koneksi menyeluruh menjadi sulit, memungkinkan semikonduktor memiliki banyak pembawa bermuatan positif. Pembawa ini disebut 'lubang' di seluruh kisi semikonduktor, karena banyak elektron yang hilang.
Sekarang, karena adanya lubang di kristal silikon, elektron di dekatnya tertarik ke lubang, mencoba mengisi celah tersebut. Namun, segera setelah elektron mencoba melakukan ini, ia mengosongkan posisinya dan menciptakan lubang baru di posisi sebelumnya.
Ini pada gilirannya menarik elektron terdekat berikutnya, yang lagi-lagi meninggalkan lubang baru saat mencoba menempati lubang berikutnya. Proses berjalan terus memberikan kesan bahwa sebenarnya lubang-lubang itu bergerak atau mengalir melintasi semikonduktor, yang biasanya kita kenal sebagai pola aliran arus konvensional.
Karena 'lubang tampak bergerak' menimbulkan kekurangan elektron yang memungkinkan seluruh kristal yang didoping untuk memperoleh polaritas positif.
Karena setiap atom pengotor bertanggung jawab untuk menghasilkan sebuah lubang, pengotor trivalen ini disebut 'Akseptor' karena fakta bahwa pengotor ini terus menerima elektron bebas secara terus menerus dalam prosesnya.
Boron (B) adalah salah satu aditif trivalen yang populer digunakan untuk proses doping yang dijelaskan di atas.
Ketika boron digunakan sebagai bahan doping, itu menyebabkan konduksi terutama memiliki pembawa bermuatan positif.
Hal ini menghasilkan terciptanya material tipe-P yang memiliki lubang positif yang disebut 'pembawa mayoritas', sedangkan elektron bebas disebut 'pembawa minoritas'.
Ini menjelaskan bagaimana bahan dasar semikonduktor berubah menjadi tipe-P karena kepadatan atom akseptornya meningkat dibandingkan dengan atom donor.
Bagaimana Boron digunakan untuk Doping
Meringkas Dasar-dasar Semikonduktor
Semikonduktor Tipe-N (Doped dengan Pengotor Pentavalen seperti Antimony misalnya)
Semikonduktor semacam itu yang diolah dengan atom pengotor Pentavalen disebut sebagai Donor, karena mereka menunjukkan konduksi melalui pergerakan elektron dan oleh karena itu disebut Semikonduktor Tipe-N.
Dalam Semikonduktor tipe-N kami menemukan:
- Donatur yang Bermuatan Positif
- Jumlah elektron bebas yang melimpah
- Jumlah 'lubang' yang relatif lebih sedikit dibandingkan dengan 'elektron bebas'
- Sebagai hasil dari doping, donor bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif dibuat.
- Penerapan hasil beda potensial dalam pengembangan elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif.
Semikonduktor Tipe-P (Doped dengan Pengotor Trivalen seperti Boron misalnya)
Semikonduktor semacam itu yang diolah dengan atom pengotor Trivalen disebut sebagai Akseptor, karena mereka menunjukkan konduksi melalui pergerakan lubang dan oleh karena itu disebut Semikonduktor Tipe-P.
Dalam Semikonduktor tipe-N kami menemukan:
- Akseptor bermuatan negatif
- Jumlah lubang yang melimpah
- Jumlah elektron bebas relatif lebih kecil dibandingkan dengan keberadaan lubang.
- Hasil doping dalam penciptaan akseptor bermuatan negatif, dan lubang bermuatan positif.
- Penerapan tegangan yang diajukan menyebabkan pembentukan lubang bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif.
Dengan sendirinya, semikonduktor tipe P dan N kebetulan netral secara elektrik, secara alami.
Umumnya, Antimony (Sb) dan Boron (B) adalah dua bahan yang digunakan sebagai member doping karena ketersediaannya yang melimpah. Ini juga disebut sebagai 'mettaloids'.
Karena itu, jika Anda melihat tabel periodik, Anda akan menemukan banyak bahan serupa yang memiliki 3 atau 5 elektron di pita atom terluarnya. Menyiratkan bahwa, bahan ini juga bisa menjadi cocok untuk tujuan doping.
Tabel periodik 
Sepasang: Sirkuit Pengumpan Anjing yang Dikendalikan Ponsel Berikutnya: Memahami Sirkuit Amplifier
