Perangkat semikonduktor, komponen sirkuit elektronik yang terbuat dari bahan yang bukan konduktor yang baik atau isolator yang baik (karenanya semikonduktor). Perangkat tersebut telah menemukan aplikasi luas karena kekompakan, keandalan, dan biaya rendah. Sebagai komponen diskrit, mereka telah ditemukan digunakan dalam perangkat daya, sensor optik, dan penghasil cahaya, termasuk laser solid-state. Mereka memiliki berbagai kemampuan penanganan arus dan tegangan, dengan peringkat arus dari beberapa nanoampere (10 −9ampere) hingga lebih dari 5.000 ampere dan peringkat tegangan memanjang di atas 100.000 volt. Lebih penting lagi, perangkat semikonduktor cenderung terintegrasi ke dalam rangkaian mikroelektronika yang kompleks namun siap diproduksi. Mereka adalah, dan akan berada di masa mendatang, elemen kunci untuk sebagian besar sistem elektronik, termasuk komunikasi, konsumen, pemrosesan data, dan peralatan kontrol industri.
Prinsip semikonduktor dan persimpangan
Bahan semikonduktor
Bahan solid-state umumnya dikelompokkan menjadi tiga kelas: isolator, semikonduktor, dan konduktor. (Pada suhu rendah beberapa konduktor, semikonduktor, dan isolator dapat menjadi superkonduktor.) Gambar 1 menunjukkan konduktivitas σ (dan resistivitas yang sesuai ρ = 1 / σ) yang terkait dengan beberapa bahan penting di masing-masing dari tiga kelas. Insulator, seperti kuarsa dan kaca leburan, memiliki konduktivitas yang sangat rendah, pada urutan 10 −18 hingga 10 −10 siemens per sentimeter; dan konduktor, seperti aluminium, memiliki konduktivitas tinggi, biasanya dari 10 4 hingga 10 6 siemens per sentimeter. Konduktivitas semikonduktor adalah di antara yang ekstrem ini.
Konduktivitas semikonduktor umumnya peka terhadap suhu, iluminasi, medan magnet, dan jumlah atom pengotor yang kecil. Misalnya, penambahan kurang dari 0,01 persen dari jenis pengotor tertentu dapat meningkatkan konduktivitas listrik semikonduktor dengan empat atau lebih urutan besarnya (yaitu 10.000 kali). Kisaran konduktivitas semikonduktor karena atom pengotor untuk lima semikonduktor umum diberikan pada Gambar 1.
Studi tentang bahan semikonduktor dimulai pada awal abad ke-19. Selama bertahun-tahun, banyak semikonduktor telah diselidiki. Tabel tersebut memperlihatkan sebagian dari tabel periodik yang terkait dengan semikonduktor. Semikonduktor unsur adalah yang terdiri dari spesies atom tunggal, seperti silikon (Si), germanium (Ge), dan timah abu-abu (Sn) di kolom IV dan selenium (Se) dan telurium (Te) di kolom VI. Namun, ada banyak semikonduktor majemuk yang terdiri dari dua elemen atau lebih. Gallium arsenide (GaAs), misalnya, adalah senyawa III-V biner, yang merupakan kombinasi dari gallium (Ga) dari kolom III dan arsenik (As) dari kolom V.
Bagian dari tabel periodik elemen yang terkait dengan semikonduktor
| Titik | kolom | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | AKU AKU AKU | IV | V | VI | |
| 2 | boron
B |
karbon
C |
nitrogen
N |
||
| 3 | magnesium
Mg |
aluminium
Al |
silikon
Si |
fosfor
P |
sulfur
S |
| 4 | seng
Zn |
galium
Ga |
germanium
Ge |
arsenik
As |
selenium
Se |
| 5 | cadmium
Cd |
indium
In |
timah
Sn |
antimony
Sb |
telurium
Te |
| 6 | merkuri
Hg |
memimpin
Pb |
|||
Senyawa ternary dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari tiga kolom yang berbeda, seperti, misalnya, merkuri indium telluride (HgIn 2 Te 4), senyawa II-III-VI. Mereka juga dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari dua kolom, seperti aluminium gallium arsenide (Al x Ga 1 - x As), yang merupakan senyawa terner III-V, di mana kedua Al dan Ga berasal dari kolom III dan subskripsi x terkait untuk komposisi dua elemen dari 100 persen Al (x = 1) hingga 100 persen Ga (x = 0). Silikon murni adalah bahan yang paling penting untuk aplikasi rangkaian terintegrasi, dan senyawa biner dan terner III-V paling signifikan untuk emisi cahaya.
Sebelum penemuan transistor bipolar pada tahun 1947, semikonduktor hanya digunakan sebagai perangkat dua terminal, seperti penyearah dan fotodioda. Selama awal 1950-an, germanium adalah bahan semikonduktor utama. Namun, itu terbukti tidak cocok untuk banyak aplikasi, karena perangkat yang terbuat dari bahan menunjukkan arus bocor tinggi pada suhu yang cukup tinggi. Sejak awal 1960-an, silikon telah menjadi pengganti praktis, hampir menggantikan germanium sebagai bahan untuk pembuatan semikonduktor. Alasan utama untuk ini ada dua: (1) perangkat silikon menunjukkan arus bocor jauh lebih rendah, dan (2) silikon dioksida berkualitas tinggi (SiO 2), yang merupakan isolator, mudah diproduksi. Teknologi silikon sekarang merupakan yang paling canggih di antara semua teknologi semikonduktor, dan perangkat berbasis silikon merupakan lebih dari 95 persen dari semua perangkat keras semikonduktor yang dijual di seluruh dunia.
Banyak senyawa semikonduktor memiliki sifat listrik dan optik yang tidak ada dalam silikon. Semikonduktor ini, terutama gallium arsenide, digunakan terutama untuk aplikasi kecepatan tinggi dan optoelektronik.
