Segala hal tentang semikonduktor

Beranda Berita Dasar-dasar Elektronika Segala hal tentang semikonduktor

2024-03-20 2515

Semikonduktor telah menjadi industri utama pembangunan nasional dalam beberapa tahun terakhir. Jadi apa sebenarnya semikonduktor?

Dalam kehidupan sehari-hari, semua benda secara kasar dapat diklasifikasikan berdasarkan daya hantar listriknya menjadi tiga kategori: konduktor, semikonduktor, dan isolator.

Hal ini mudah dimengerti; benda dapat menghantarkan listrik, tidak dapat menghantarkan listrik, atau dapat menghantarkan listrik sedikit. Bahan-bahan inilah yang ambigu dan menunjukkan konduktivitas parsial yang memberikan peluang berbeda bagi fisikawan untuk melakukan eksplorasi.

Bahan yang murni bersifat konduktif atau non-konduktif tidak terlalu berarti; yang menarik adalah zat yang konduktivitasnya berubah dalam kondisi berbeda.

Mari kita lihat konduktivitas listrik suatu bahan melalui diagram untuk pemahaman yang lebih intuitif.

Menurut konduktivitas listriknya:

Isolator: dengan konduktivitas listrik rendah, kira-kira berkisar antara 20^-18S/cm hingga 10^-8S/cm, seperti kuarsa cair dan kaca.

Konduktor: dengan konduktivitas listrik lebih tinggi, berkisar antara 10^4S/cm hingga 10^6S/cm, seperti logam seperti aluminium dan perak.

Semikonduktor: dengan konduktivitas listrik berada di antara isolator dan konduktor.

Semikonduktor unsur yang umum ditemukan di alam termasuk silikon dan germanium. Dikatakan bahwa semikonduktor berbasis germanium ditemukan dan digunakan bahkan lebih awal dibandingkan semikonduktor berbasis silikon, namun keunggulan alami silikon adalah harganya yang terjangkau. Pasir biasa di alam mengandung silikon dalam jumlah besar lho!

Meskipun pasir silika banyak terdapat di alam, namun kandungannya terlalu banyak pengotor dan cacat sehingga tidak dapat digunakan secara langsung dan perlu dimurnikan.

Bagaimana kita memperbaikinya? Singkatnya—bakar!

Seperti yang kita pelajari di pelajaran kimia SMP, kita melakukan reaksi oksidasi-reduksi.

SiC + SiO2 → Si (padat) + SiO2 (gas) + CO (gas)
Si (padat) + 3HC → SiHCl3 (gas) + H2 (gas)
SiHCl3 (gas) + H2 (gas) → Si (padat) + 3HCl (gas)

Setelah tiga reaksi kimia suhu tinggi, kita memperoleh silikon padat, tetapi pada titik ini, silikon tersebut berbentuk polikristalin.

Apa itu silikon polikristalin?

Seperti halnya ketika kita mengupas jeruk, di dalamnya terdapat banyak ruas (segmen polikristalin), dan setiap ruas tersebut memiliki rasa yang berbeda-beda (orientasi kristal). Kita perlu memilih segmen dengan rasa terbaik dan membiarkannya berkembang dengan sendirinya!

Bagaimana cara membuat kristal kecil tumbuh secara individual?

Fisikawan memang pintar, mereka menemukan metode untuk menumbuhkan kristal tunggal yang disebut metode Czochralski, kemungkinan dinamai menurut nama ilmuwan yang mengembangkannya.

Ada juga istilah industri yang intuitif untuk proses ini, yang dikenal sebagai metode Bridgman!

Karena ketika menumbuhkan kristal tunggal, itu seperti menarik kristal kecil ke atas! Kecepatan menariknya agak lambat. Lihatlah perangkat ini:

Batang silinder biru pada gambar adalah silikon kristal tunggal. Pada proses penarikan, ia berputar sambil ditarik ke atas sehingga menghasilkan batangan berbentuk silinder yang ditumbuhkan dengan metode Bridgman.

Ingot yang sudah tumbuh kemudian dipotong menjadi potongan-potongan berbentuk cakram menggunakan pisau mekanis, membentuk apa yang kita sebut wafer.

Apakah proses ini terdengar familier bagi Anda?

Begitulah cara wafer diproduksi.

Meskipun kita sekarang memiliki wafer, pada tahap ini, sifat elektrokimia silikon kristal tunggal tidak cukup untuk digunakan langsung dalam pembuatan chip. Insinyur kemudian berupaya memodifikasi sifat elektrokimia silikon kristal tunggal.

Bagaimana mereka memodifikasi silikon kristal tunggal?

Pertama, mari kita pelajari beberapa pengertian tentang unsur silikon. Dalam tabel periodik, silikon menempati posisi ke-14. Sebuah atom silikon memiliki empat elektron pada kulit terluarnya, yang berbagi dengan empat atom tetangganya, membentuk empat pasang elektron bersama. Struktur pasangan elektron bersama ini dikenal sebagai ikatan kovalen. Setiap pasangan elektron membentuk ikatan kovalen.

Anda mungkin telah mempelajari bagian ini dalam kimia sekolah menengah. Mari kita lihat gambar untuk pemahaman yang lebih visual:

Gambar kiri menunjukkan struktur kristal silikon kristal tunggal, yang menyerupai struktur kristal berlian. Di sebelah kanan, kita melihat gambaran atom silikon berbagi elektron, dengan satu atom silikon di tengah berbagi elektron dengan empat atom silikon "saudara".

Suatu hari, seorang fisikawan tiba-tiba mendapat ide: Bagaimana jika silikon tidak berbagi elektron dengan atom "saudaranya" dan mengundang "saudara" lain ke dalam kelompoknya?

Suatu hari, fisikawan tersebut mengundang arsenik untuk bergabung dengan kelompoknya, dan kemudian keajaiban terjadi:

"Saudara" arsenik memiliki 5 elektron pada kulit terluarnya, dengan 4 elektron membentuk ikatan dengan atom silikon, sehingga satu elektron tidak berpasangan. Elektron yang tidak berpasangan ini menjadi zat bebas, berkeliaran dan mengubah konduktivitas silikon karena muatannya.

Dengan memberikan elektron ekstra pada keluarga silikon, atom arsenik dikenal sebagai donor.

Dengan bertambahnya elektron bebas dalam keluarga silikon, pembawa bermuatan negatif meningkat, mengubah silikon menjadi semikonduktor tipe-n.

Mengapa disebut "tipe-N"? Dalam bahasa Inggris, "Negatif" berarti negatif. Mengambil huruf pertama dari kata ini memberi kita N.

Demikian pula dengan pemikiran fisikawan, jika kita dapat memasukkan atom arsenik dengan elektron ekstra, dapatkah kita juga mengundang atom boron dengan elektron lebih sedikit ke dalam golongan? Jadi fisikawan memutuskan untuk memasukkan atom boron ke dalam campuran untuk melihat apa yang terjadi.

Karena atom boron hanya memiliki 3 elektron pada kulit terluarnya, satu lebih sedikit dari silikon, setiap ikatan kovalen yang awalnya memiliki 2 pasangan elektron kini hanya terdiri dari satu pasangan, meninggalkan celah—lubang bermuatan positif.

Pada titik ini, semikonduktor berbasis silikon dikenal sebagai semikonduktor tipe-p. Demikian pula, "P" berasal dari huruf pertama kata bahasa Inggris "Positif", dan atom boron disebut sebagai akseptor.

Ini adalah pengenalan atom yang berbeda ke dalam silikon kristal tunggal yang menghasilkan pembentukan semikonduktor tipe-N dan tipe-P.

Ketika kita memiliki silikon kristal tunggal dan dapat menemukan cara untuk mengoksidasi permukaannya menjadi silikon dioksida, silikon dioksida dapat berfungsi sebagai isolator untuk banyak struktur perangkat atau bertindak sebagai lapisan penghalang selama proses fabrikasi perangkat seperti difusi atau implantasi ion.

Dalam proses pembuatan sambungan pn, lapisan tipis silikon dioksida dapat digunakan untuk menentukan daerah sambungan.

Lihatlah diagram skematik berikut: (a) menunjukkan wafer silikon terbuka, siap untuk tahap oksidasi, sedangkan (b) hanya menggambarkan lapisan atas wafer teroksidasi.

Dengan pengetahuan teoretis tentang semikonduktor tipe-P dan tipe-N, kita dapat mengambil langkah lebih jauh dan memodifikasi permukaan silikon dioksida untuk menciptakan pola yang diinginkan, seperti menggambar kucing atau bunga.

Metode untuk memodifikasi permukaan wafer disebut fotolitografi!

Tapi bukankah fotolitografi memerlukan peralatan canggih? Saya dengar mesin-mesin itu sungguh mengesankan... Mari kita pahami dulu prinsip fotolitografi:

Dengan menggunakan spin coater berkecepatan tinggi, lapisan bahan peka cahaya ultraviolet (UV) yang disebut photoresist dipintal ke permukaan chip. Setelah chip dikeluarkan dari spinner, chip tersebut dipanggang pada suhu antara 80°C dan 100°C untuk menghilangkan pelarut dalam photoresist dan mengeraskannya, sehingga meningkatkan daya rekatnya pada chip.

Selanjutnya, sumber sinar UV digunakan untuk mengekspos chip melalui masker bermotif. Kemudian, asam fluorida buffer digunakan sebagai pengetsa asam untuk menghilangkan permukaan silikon dioksida yang tidak terlindungi. Terakhir, photoresist dilucuti menggunakan pelarut kimia atau sistem pengabuan plasma.

Lihatlah diagram skematik: Hanya (a) yang ditampilkan.

Prosesnya agak mirip dengan membuat segel. Pertama, suatu model dilukis di atas batu dengan pigmen, kemudian diukir sesuai dengan ukuran model tersebut. Prinsipnya pada dasarnya sama.

Sama seperti segel yang memiliki desain terangkat atau tersembunyi, wafer juga dapat diperlakukan serupa. Tergantung pada pilihan photoresist, baik positif atau negatif, seseorang dapat memperoleh pola yang timbul (positif) dan pola tersembunyi (negatif). Fotoresist yang digunakan disebut sebagai resist positif dan resist negatif.

Setelah fotolitografi, permukaan silikon terkena lingkungan luar. Fisikawan kemudian memasukkan unsur-unsur lain ke dalam permukaan silikon ini melalui proses yang dikenal sebagai implantasi ion.

Ketika ion boron (B) atau arsenik (As) ditanamkan, mereka mengubah sifat tradisional silikon, mengubah karakteristik elektrokimianya. Pada titik ini, semikonduktor disebut semikonduktor ekstrinsik.

Persimpangan yang dibentuk oleh kontak antara semikonduktor tipe P dan tipe N disebut sambungan pn!

Setelah doping selesai, upaya dilakukan untuk mengekstraksi kinerja semikonduktor ini. Hal ini melibatkan metalisasi permukaan semikonduktor, dengan langkah-langkah termasuk kontak ohmik dan interkoneksi yang diselesaikan dalam proses metalisasi berikutnya. Film tipis logam dapat dibentuk dengan menggunakan metode deposisi uap fisik (PVD) atau deposisi uap kimia (CVD).

Dengan selesainya metalisasi, sambungan pn sekarang dapat berfungsi!

Itu saja untuk pengetahuan dasar semikonduktor!

sebelumnya

Slkor Micro Semiconductor Mendapatkan Paten Model Utilitas Baru untuk Perangkat Pemanas Thyristor

Selanjutnya

Menawarkan 20 Model Populer Secara Gratis – Slkor Memanfaatkan Momen untuk Penggantian Produk Domestik