Tanpanya, tidak akan ada komputer, ponsel pintar, atau gelombang radio. Semikonduktor adalah mesin tersembunyi masyarakat modern. Mereka terletak di jantung mikroprosesor dan mengontrol semua transistor perangkat. Saat mesin menghitung atau mengirimkan sinyal, mereka mengandalkan bahan-bahan ini agar dapat berfungsi.
Sebagian besar chip yang Anda lihat saat ini dibuat dari silikon. Itu sebabnya istilah seperti “Silicon Valley” mendominasi berita bisnis. Area ini tidak diberi nama berdasarkan nama startup teknologi. Dinamai berdasarkan sumber listriknya. Silikon adalah fondasi industri elektronik. Tanpanya, tidak akan ada “ekonomi silikon”.
Memahami dasar-dasar dioda
Untuk memahami cara kerja semikonduktor, Anda harus memulai dengan sesuatu yang sederhana. Dioda adalah perangkat semikonduktor paling sederhana. Ini adalah titik awal yang bagus untuk mempelajari dasar-dasarnya. Dalam panduan ini, kita akan melihat lebih dekat apa sebenarnya semikonduktor. Cari tahu bagaimana doping mengubah sifat suatu material. Kami juga melihat bagaimana para insinyur menggunakan prinsip-prinsip ini untuk membuat dioda.
Namun sebelum kita melihat lebih dekat cara kerja dioda, kita perlu melihat lebih dekat bahannya sendiri. silikon.
Banyak silikon
Silikon bukanlah hal yang aneh. Itu ada dimana-mana. Jika Anda pernah berjalan di pantai atau melihat ke dalam kristal, Anda pasti pernah melihatnya. Pasir dan kuarsa sebagian besar terbuat dari silikon.
Silikon mempunyai tempat khusus dalam tabel periodik unsur. Itu di sebelah aluminium. Letaknya di bawah karbon. Itu terletak di atas germanium. Posisi dalam hierarki unsur ini memberi silikon sifat listrik yang unik. Memahami tempatnya di atas meja membantu menjelaskan mengapa ia menjadi bahan dasar dalam elektronik.
Landasan Kisi Semikonduktor
Karbon, silikon, dan germanium semuanya memiliki sifat khusus dalam konfigurasi elektroniknya. Setiap unsur memiliki 4 elektron di orbit terluarnya. Ini bukan sekedar detail kecil. Kemampuan untuk membentuk struktur berulang yang stabil mendorong kemampuan mereka untuk membentuk struktur yang stabil dan berulang.
Keempat elektron valensi ini terikat secara kovalen pada empat atom tetangganya. Hasilnya adalah jaringan yang kaku. Anggap saja sebagai jaringan molekuler. Strukturnya terpelihara karena setiap ikatan terpenuhi.
Dalam karbon, kisi ini terlihat seperti berlian. Keras. Transparan. Berharga.
Silikon mengambil perubahan visual yang berbeda. Bentuk kristalnya tampak metalik. Ini memiliki kilau perak. Namun, tidak seperti tembaga atau besi, ini adalah semikonduktor. Dalam hal ini, germanium berperilaku mirip dengan silikon. Ia berada dalam kelompok yang sama dalam tabel periodik. Ia juga memiliki empat elektron terluar. Karena kesamaannya, kedua bahan ini menjadi tulang punggung elektronik modern.
Konfigurasi empat elektron adalah kuncinya. Ikatan kovalen sekarang dimungkinkan dan struktur kisi lengkap terbentuk.
Kisi ini tidak hanya cantik. Ini praktis. Menentukan bagaimana bahan-bahan ini menghantarkan listrik. Tanpa konfigurasi khusus empat elektron ini, struktur kristal dapat runtuh atau berperilaku tidak terduga. Stabilitas ini menjadikan silikon sebagai standar untuk chip komputer.
Logam menghantarkan listrik melalui elektron bebas. Mereka dengan mudah berpindah antar atom. Silikon terlihat seperti logam. Itu berkilau. memantulkan cahaya. Tapi itu bukan satu-satunya.
Dalam kristal silikon murni, semua elektron terluar terikat dalam ikatan kovalen lengkap. mereka tidak bisa bergerak. hasil? Isolasi yang hampir sempurna. Nol lalu lintas.
tidak lagi.
Piidoping mengubah segalanya
Itu tidak mengubah struktur silikon. Anda mengubah chemistrynya. Mengandung kotoran.
Proses ini disebut doping. Mengubah isolator menjadi semikonduktor. Dia adalah seorang konduktor, tapi bukan konduktor yang hebat. Itu akan berhasil.
Ada dua cara untuk menambahkan silikon. Mereka adalah tipe-N dan tipe-P.
Doping tipe-N: elektron bebas
Doping tipe-N menggunakan unsur-unsur dengan lima elektron terluar. Lin. arsenik.
Ada empat jenis silikon.
Ketika fosfor memasuki kisi kristal, empat elektron terikat bersama. Apakah ini yang kelima? Saya tidak punya pasangan. Mengambang dengan bebas.
Bahkan sejumlah kecil elektron dapat menghasilkan elektron bebas yang cukup untuk menghantarkan listrik. Elektron bermuatan negatif. Jadi itu tipe N.
Doping tipe-P: Menciptakan celah.
Doping tipe-P membalik naskah. Gunakan boron atau galium.
Unsur-unsur ini hanya mempunyai tiga elektron terluar.
Saat dimasukkan ke dalam sangkar silikon, masih ada celah. “lubang”.
Elektron dari tetangga meluncur masuk dan mengisinya. Lubang itu bergerak. Ia bertindak seperti muatan positif. Jadi itu tipe P.
Sejumlah kecil aditif mengubah silikon dari isolator menjadi konduktor yang dapat digunakan.
Persimpangan: Tempat keajaiban terjadi
Ingin membedakan silikon tipe N dan tipe P? Membosankan.
Silakan gabungkan keduanya.
Suatu hal yang lucu terjadi di persimpangan. Ini adalah jantung dari dioda.
Dioda adalah perangkat semikonduktor paling sederhana. Memungkinkan arus mengalir dalam satu arah. Hanya ada satu hal.
Bayangkan sebuah pintu putar stadion. Sekali seseorang menapaki suatu jalan, ia tidak dapat kembali ke jalan yang sama. Dioda adalah gerbang flip elektronik searah.
Menggabungkan silikon tipe-N dan tipe-P menciptakan penghalang. Listrik mengalir dengan mudah ke satu arah. Blokir yang lain sepenuhnya.
Perilaku unik ini tidak hanya bersifat teoretis. Ini adalah dasar dari elektronik modern. Tidak ada yang berhasil tanpa persimpangan ini.
Silikon yang diolah dengan fosfor menciptakan lapisan tipe-N. Silikon yang diolah dengan boron menciptakan lapisan tipe-P. Kedua bahan tersebut menghantarkan listrik sendiri-sendiri. Gabungkan semuanya dalam konfigurasi yang ditunjukkan pada diagram, dan tidak terjadi apa-apa. Sirkuitnya mati.
Alasannya terletak pada cara Anda menghubungkan sumber listrik. Jika Anda memasang baterai sehingga terminal negatif menghadap sisi tipe-N, elektron akan ditarik menjauh dari sambungan. Secara bersamaan, terminal positif menarik lubang di sisi tipe P menjauh dari pusat. Mereka bergerak berlawanan arah, saling menjauhi. Tidak ada arus yang melewati celah tersebut. Dioda menghalangi aliran.
Membalikkan Polaritas
Balikkan baterainya. Sekarang pengaturannya berubah total.
Terminal negatif menolak elektron bebas dalam silikon tipe-N, mendorongnya menuju persimpangan. Terminal positif menolak lubang pada silikon tipe P, mendorongnya menuju titik pertemuan yang sama. Mereka bertabrakan. Elektron mengisi lubang. Mereka membatalkan satu sama lain.
Ini bukan lagi penyumbatan statis. Ini adalah aliran yang dinamis. Saat elektron mengisi lubang di persimpangan, lubang dan elektron baru dihasilkan di tepi luar untuk menggantikannya. Arus mengalir melalui persimpangan. Dioda memungkinkan listrik mengalir.
Dioda dan Transistor
Perilaku terarah ini adalah mekanisme mendasar di balik cara kita mengontrol daya dalam elektronik. Bagian selanjutnya mengeksplorasi bagaimana sifat spesifik ini memungkinkan penggunaan dioda dan transistor secara luas pada perangkat modern.
Cara kerja dioda di gadget Anda
Dioda pada dasarnya adalah saluran listrik satu arah. Ini menghalangi aliran listrik dalam satu arah dan memungkinkannya mengalir ke arah yang berlawanan. Jika Anda pernah memasukkan baterai ke dalam remote control dan baterai tidak berfungsi karena polaritas yang salah, mungkin dioda yang menyebabkan baterai tidak menyala. Ini bertindak sebagai alat pengaman. Ketika baterai ditempatkan terbalik, dioda mencegah terkurasnya arus dari baterai dan melindungi elektronik internal yang sensitif dari kerusakan.
Idealnya, dioda dengan bias terbalik harus memblokir semua arus. Sebenarnya, itu tidak sempurna. Dioda asli dapat bocor sekitar 10 mikroamp. Di sebagian besar aplikasi, hal ini dapat diabaikan, tetapi hal ini tetap ada. Jika tegangan balik (V) yang cukup diterapkan pada sambungan, sambungan tersebut pada akhirnya akan rusak dan memungkinkan arus mengalir. Tegangan tembus ini biasanya sangat tinggi sehingga rangkaian standar tidak akan pernah mencapainya, sehingga tegangan tembus ini dapat diabaikan dalam penggunaan sehari-hari.
Segalanya menjadi menarik ketika Anda memiliki bias ke depan. Sebuah dioda memerlukan tegangan tertentu untuk beroperasi. Untuk dioda silikon, ambang batas ini sekitar 0,7 volt. Lompatan tegangan ini memulai proses kombinasi lubang-elektron di persimpangan. Ini adalah rintangan kecil, namun penting untuk pengoperasian perangkat yang benar.
Transistor: Saklar Alam
Transistor adalah langkah logis berikutnya dalam pengembangan semikonduktor. Dioda menggunakan dua lapisan material, sedangkan transistor menggunakan tiga lapisan. Dapat dibangun sebagai struktur sandwich NPN atau PNP. Berkat struktur ini, transistor dapat bertindak sebagai saklar dan penguat.
Secara visual, transistor terlihat seperti dua dioda yang ditempatkan berlawanan. Jika dipikir-pikir, pengaturan ini seharusnya memblokir arus di kedua arah. Secara teknis ya. Tapi inilah triknya. Saat Anda mengalirkan arus listrik kecil melalui lapisan tengah sandwich, sesuatu yang ajaib terjadi. Arus yang lebih besar dapat mengalir ke seluruh struktur.
Inilah perilaku peralihan yang menggerakkan komputasi modern. Arus kecil dapat menghidupkan atau mematikan arus besar. Ini bukan sihir, ini hanya fisika yang disempurnakan menjadi sains.
Dari silikon hingga mikroprosesor
Chip Silikon hanyalah sepotong silikon yang menampung ribuan atau bahkan jutaan transistor. Menempatkan transistor sebagai saklar menciptakan gerbang Boolean. Menghubungkan gerbang-gerbang ini menciptakan rangkaian logika. Hubungkan secukupnya dan Anda mendapatkan mikroprosesor.
Peralihan dari silikon murni ke silikon doping, transistor, dan akhirnya chip kompleks membuat komputer menjadi sangat murah dan dapat diakses oleh semua orang. Prinsip dasarnya ternyata sangat sederhana. Keajaiban sebenarnya adalah bagaimana kami menyempurnakannya. Sekarang kita dapat membentuk puluhan juta transistor dalam satu chip tanpa mengeluarkan banyak uang.
Pertanyaan yang sering diajukan tentang semikonduktor
**Apakah silikon termasuk semikonduktor? **
Ya. Kebanyakan chip semikonduktor dan transistor terbuat dari silikon. Ini adalah bahan baku pilihan karena strukturnya stabil dan dapat diprediksi.
**Untuk apa semikonduktor digunakan? **
Mereka adalah tulang punggung perangkat elektronik. Semikonduktor digunakan dalam chip, dioda, transistor dan sirkuit terpadu. Segala sesuatu yang terkomputerisasi atau berdasarkan gelombang radio bergantung pada kelas material ini.
Elemen apa yang digunakan dalam semikonduktor?
Anda bisa memulai dengan unsur murni seperti silikon, karbon, dan germanium. Atau Anda bisa mencampurkan kotoran ke dalamnya. Menambahkan fosfor atau arsenik menghasilkan doping tipe-N. Menambahkan boron atau galium menghasilkan doping tipe-P. Prosedur ini mengubah cara material menghantarkan listrik.
**Apa definisi semikonduktor? **
Konduktivitas listrik semikonduktor berada di antara konduktor (seperti logam) dan non-konduktor (seperti kebanyakan keramik). Mereka tidak sepenuhnya berisolasi dan tidak sepenuhnya konduktif. Mereka ada di domain kendali perantara.
**Siapa perusahaan semikonduktor terbesar? **
Dinamika pasar sedang berubah, namun secara historis para raksasa telah berkuasa. Menurut data tahun 2020, pesaing utamanya adalah TSMC dengan penjualan sekitar $45,4 miliar, Samsung dengan penjualan sekitar $52,2 miliar, dan Intel yang menduduki peringkat pertama dengan $73,9 miliar. Banyak hal telah berubah, tetapi permintaan akan chip ini semakin meningkat.
