Peranti semikonduktor, komponen litar elektronik yang terbuat dari bahan yang bukan konduktor yang baik atau penebat yang baik (oleh itu semikonduktor). Peranti seperti ini telah mendapat banyak aplikasi kerana kekompakan, kebolehpercayaan, dan kosnya yang rendah. Sebagai komponen diskrit, mereka telah digunakan dalam peranti kuasa, sensor optik, dan pemancar cahaya, termasuk laser keadaan pepejal. Mereka mempunyai pelbagai keupayaan pengendalian arus dan voltan, dengan penilaian semasa dari beberapa nanoamperes (10 −9ampere) hingga lebih daripada 5,000 ampere dan peringkat voltan melebihi 100,000 volt. Lebih penting lagi, peranti semikonduktor menjadikan diri mereka berintegrasi ke dalam rangkaian mikroelektronik yang kompleks tetapi mudah dihasilkan. Mereka, dan akan berada di masa yang akan datang, elemen-elemen penting bagi kebanyakan sistem elektronik, termasuk komunikasi, pengguna, pemprosesan data, dan peralatan industri.
Prinsip semikonduktor dan persimpangan
Bahan semikonduktor
Bahan keadaan pepejal biasanya dikelompokkan menjadi tiga kelas: penebat, semikonduktor, dan konduktor. (Pada suhu rendah beberapa konduktor, semikonduktor, dan penebat boleh menjadi superkonduktor.) Rajah 1 menunjukkan kekonduksian σ (dan resistiviti yang sesuai ρ = 1 / σ) yang dikaitkan dengan beberapa bahan penting dalam setiap tiga kelas. Penebat, seperti kuarza bersatu dan kaca, mempunyai kekonduksian yang sangat rendah, pada urutan 10 −18 hingga 10 −10 siemens per sentimeter; dan konduktor, seperti aluminium, mempunyai kekonduksian tinggi, biasanya dari 10 4 hingga 10 6 siemens per sentimeter. Kekonduksian semikonduktor berada di antara tahap ekstrem ini.
Kekonduksian semikonduktor pada amnya sensitif terhadap suhu, pencahayaan, medan magnet, dan jumlah kotoran atom dalam jumlah minit. Sebagai contoh, penambahan kurang daripada 0.01 peratus jenis kekotoran tertentu dapat meningkatkan kekonduksian elektrik semikonduktor sebanyak empat atau lebih pesanan magnitud (iaitu, 10,000 kali). Julat kekonduksian semikonduktor kerana atom pengotor untuk lima semikonduktor biasa diberikan dalam Rajah 1.
Kajian mengenai bahan semikonduktor bermula pada awal abad ke-19. Selama bertahun-tahun, banyak semikonduktor telah disiasat. Jadual menunjukkan sebahagian jadual berkala yang berkaitan dengan semikonduktor. Semikonduktor unsur terdiri daripada spesies atom tunggal, seperti silikon (Si), germanium (Ge), dan timah kelabu (Sn) pada lajur IV dan selenium (Se) dan Tellurium (Te) pada lajur VI. Walau bagaimanapun, terdapat banyak semikonduktor kompaun yang terdiri daripada dua atau lebih unsur. Gallium arsenide (GaAs), misalnya, adalah sebatian III-V binari, yang merupakan gabungan antara gallium (Ga) dari lajur III dan arsenik (As) dari lajur V.
Bahagian jadual berkala elemen yang berkaitan dengan semikonduktor
| tempoh | ruangan | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boron
B |
karbon
C |
nitrogen
N |
||
| 3 | magnesium
Mg |
aluminium
Al |
silikon
Si |
fosforus
P |
sulfur
S |
| 4 | zink
Zn |
gallium
Ga |
germanium
Ge |
arsenik
Sebagai |
selenium
Se |
| 5 | kadmium
Cd |
indium
Di |
tin
Sn |
antimoni
Sb |
Tellurium
Te |
| 6 | merkuri
Hg |
memimpin
Pb |
|||
Sebatian turunan dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari tiga lajur yang berbeza, seperti, misalnya, merkuri indium Telluride (HgIn 2 Te 4), sebatian II-III-VI. Mereka juga dapat dibentuk oleh unsur-unsur dari dua lajur, seperti aluminium gallium arsenide (Al x Ga 1 - x As), yang merupakan sebatian III-V ternary, di mana Al dan Ga berasal dari lajur III dan subskrip x berkaitan kepada komposisi dua unsur dari 100 peratus Al (x = 1) hingga 100 peratus Ga (x = 0). Silikon tulen adalah bahan yang paling penting untuk aplikasi litar bersepadu, dan sebatian binari dan terner III-V paling penting untuk pelepasan cahaya.
Sebelum penemuan transistor bipolar pada tahun 1947, semikonduktor hanya digunakan sebagai alat dua terminal, seperti penyearah dan fotodioda. Pada awal 1950-an, germanium adalah bahan semikonduktor utama. Namun, itu terbukti tidak sesuai untuk banyak aplikasi, kerana alat yang terbuat dari bahan tersebut menunjukkan arus kebocoran yang tinggi pada suhu yang cukup tinggi. Sejak awal 1960-an, silikon telah menjadi pengganti praktikal, yang menggantikan germanium sebagai bahan untuk fabrikasi semikonduktor. Sebab utama untuk ini adalah dua kali ganda: (1) peranti silikon menunjukkan arus kebocoran yang jauh lebih rendah, dan (2) silikon dioksida berkualiti tinggi (SiO 2), yang merupakan penebat, mudah dihasilkan. Teknologi silikon kini merupakan yang paling maju di antara semua teknologi semikonduktor, dan peranti berasaskan silikon merupakan lebih daripada 95 peratus daripada semua perkakasan semikonduktor yang dijual di seluruh dunia.
Sebilangan besar konduktor semikonduktor mempunyai sifat elektrik dan optik yang tidak terdapat dalam silikon. Semikonduktor ini, terutamanya gallium arsenide, digunakan terutamanya untuk aplikasi berkelajuan tinggi dan optoelektronik.
