Dalam catatan ini, kita belajar secara komprehensif mengenai prinsip kerja asas peranti semikonduktor, dan bagaimana struktur dalaman semikonduktor berfungsi di bawah pengaruh elektrik.
Nilai ketahanan antara bahan semikonduktor ini tidak mempunyai ciri konduktor yang lengkap atau penebat yang lengkap, ia berada di antara dua had ini.
Ciri ini mungkin menentukan sifat semikonduktor bahan, namun akan menarik untuk mengetahui bagaimana semikonduktor berfungsi antara konduktor dan penebat.
Ketahanan
Menurut Undang-undang Ohm, rintangan elektrik dari alat elektronik didefinisikan sebagai nisbah perbezaan potensi merentasi komponen dengan arus yang mengalir melalui komponen.
Kini menggunakan pengukuran rintangan boleh menimbulkan satu masalah, nilainya berubah apabila dimensi fizikal bahan perintang berubah.
Sebagai contoh apabila bahan resistif bertambah panjang, nilai rintangannya juga meningkat secara berkadar.
Begitu juga, apabila ketebalannya meningkat, nilai rintangannya menurun secara berkadar.
Keperluan di sini adalah untuk menentukan bahan yang mungkin menunjukkan sifat pengaliran atau penentangan terhadap arus elektrik tanpa mengira saiz, bentuk atau penampilan fizikalnya.
Besarnya untuk menyatakan nilai rintangan tertentu ini dikenali sebagai Ketahanan, yang mempunyai sinyal ρ, (Rho)
Unit pengukuran daya tahan adalah Ohm-meter (Ω.m), dan mungkin difahami sebagai parameter yang membalikkan kekonduksian.
Untuk mendapatkan perbandingan antara daya tahan beberapa bahan, bahan ini dikelaskan kepada 3 kategori utama: Konduktor, Penebat, dan Semi-konduktor. Carta di bawah memberikan butiran yang diperlukan:
Seperti yang anda lihat dalam gambar di atas, terdapat perbezaan yang boleh diabaikan pada kekonduksian konduktor seperti emas dan perak sedangkan, mungkin terdapat banyak perbezaan ketahanan pada penebat seperti kuarza dan kaca.
Ini disebabkan oleh tindak balas mereka terhadap suhu persekitaran yang menjadikan logam konduktor sangat efisien daripada penebat
Konduktor
Dari carta di atas kita memahami bahawa konduktor mempunyai paling sedikit daya tahan, yang biasanya dalam mikroohm / meter.
Oleh kerana arus elektrik resistiviti yang rendah dapat melaluinya dengan mudah, kerana terdapat banyak elektron.
Walau bagaimanapun, elektron-elektron ini dapat didorong hanya apabila tekanan melintasi konduktor, dan tekanan ini dapat terbentuk dengan menerapkan voltan di konduktor.
Oleh itu, apabila konduktor digunakan dengan perbezaan potensi positif / negatif, elektron bebas setiap atom konduktor terpaksa dikeluarkan dari atom induknya dan mereka mula melayang di dalam konduktor, dan umumnya dikenali sebagai aliran arus .
Tahap di mana elektron ini dapat bergerak bergantung pada seberapa mudah mereka dibebaskan dari atomnya, sebagai tindak balas kepada perbezaan voltan.
Logam umumnya dianggap sebagai pengalir elektrik yang baik, dan di antara logam, emas, perak, tembaga, dan aluminium adalah konduktor yang teratur.
Oleh kerana konduktor ini mempunyai sedikit elektron dalam pita valensi atomnya, mereka dengan mudah dilepaskan oleh perbezaan potensi dan mereka mula melompat dari satu atom ke atom seterusnya melalui proses yang disebut 'Domino Effect', mengakibatkan aliran arus melintasi pengalir.
Walaupun emas dan perak adalah pengalir elektrik yang terbaik, tembaga dan aluminium lebih disukai untuk membuat wayar dan kabel kerana kos dan kelimpahan yang rendah, dan juga kekuatan fizikal mereka.
Walaupun tembaga dan aluminium adalah konduktor elektrik yang baik, mereka masih mempunyai ketahanan, kerana tidak ada yang 100% ideal.
Walaupun kecil rintangan yang ditawarkan oleh konduktor ini dapat menjadi signifikan dengan penggunaan arus yang lebih tinggi. Akhirnya daya tahan terhadap arus yang lebih tinggi pada konduktor ini hilang sebagai haba.
Penebat
Berbeza dengan konduktor, penebat adalah konduktor elektrik yang buruk. Ini biasanya dalam bentuk bukan logam dan mempunyai elektron yang mudah terdedah atau bebas dengan atom induknya.
Maksudnya elektron bukan logam ini terikat erat dengan atom induknya, yang sangat sukar untuk dikeluarkan dengan penggunaan voltan.
Oleh kerana ciri ini, semasa voltan elektrik digunakan, elektron gagal menjauh dari atom sehingga tidak ada aliran elektron dan oleh itu tidak berlaku pengaliran.
Properti ini membawa nilai rintangan yang sangat tinggi terhadap penebat, dalam urutan berjuta-juta Ohms.
Bahan seperti kaca, marmar, PVC, plastik, kuarza, getah, mika, bakelite adalah contoh penebat yang baik.
Sama seperti konduktor, penebat juga memainkan peranan penting dalam pemfailan elektronik. Tanpa penebat, mustahil untuk mengasingkan perbezaan voltan di peringkat litar, yang menyebabkan litar pintas.
Sebagai contoh kita melihat penggunaan porselin dan kaca di menara tegangan tinggi untuk menghantar kuasa AC dengan selamat melintasi kabel. Dalam kabel kami menggunakan PVC untuk penebat terminal positif, negatif, dan di PCB kami menggunakan Bakelite untuk mengasingkan jejak tembaga antara satu sama lain.
Asas Semikonduktor
Bahan seperti silikon (Si), germanium (Ge) dan Gallium arsenide berada di bawah bahan semikonduktor asas. Ini kerana bahan-bahan ini mempunyai ciri untuk mengalirkan elektrik secara tidak langsung sehingga tidak menyebabkan pengaliran yang betul atau penebat yang betul. Oleh kerana sifat ini, bahan ini dinamakan sebagai semikonduktor.
Bahan-bahan ini menunjukkan sangat sedikit elektron bebas di atomnya, yang dikelompokkan dengan ketat dalam bentuk kisi kristal. Masih, elektron dapat terlepas dan mengalir, tetapi hanya apabila keadaan tertentu digunakan.
Setelah mengatakan ini, menjadi mustahil untuk meningkatkan kadar konduksi pada semikonduktor ini dengan memperkenalkan atau menggantikan beberapa jenis atom 'donor' atau 'akseptor' ke susun atur kristal, yang memungkinkan pelepasan 'elektron bebas' dan 'lubang' atau naib tambahan sebaliknya.
Ini dilaksanakan dengan memperkenalkan sejumlah bahan luaran kepada bahan yang ada seperti silikon atau Germanium.
Dengan sendirinya, bahan seperti silikon dan Germanium dikategorikan sebagai semikonduktor intrinsik, kerana sifat kimianya yang sangat murni, dan adanya bahan semikonduktor yang lengkap.
Ini juga bermaksud bahawa, dengan menerapkan jumlah kekotoran terkawal ke dalamnya, kita dapat menentukan kadar pengaliran bahan intrinsik ini.
Kami boleh memperkenalkan jenis kekotoran yang disebut sebagai penderma atau akseptor kepada bahan-bahan ini untuk meningkatkannya dengan elektron bebas atau lubang bebas.
Dalam proses ini apabila pengotor ditambahkan ke bahan intrinsik dalam perkadaran 1 atom pengotor per 10 juta atom bahan semikonduktor, ia disebut sebagai Doping .
Dengan pengenalan kekotoran yang mencukupi, bahan semikonduktor dapat diubah menjadi bahan jenis-N atau jenis-P.
Silikon adalah antara bahan semikonduktor yang paling popular, mempunyai 4 elektron valens melintasi cangkang terluarnya, dan juga dikelilingi oleh atom bersebelahan membentuk orbit 8 elektron.
Ikatan antara dua atom silikon dikembangkan sedemikian rupa, sehingga memungkinkan pembahagian satu elektron dengan atom yang bersebelahan, menyebabkan ikatan stabil yang baik.
Dalam bentuk tulennya, kristal silikon mungkin mempunyai sedikit elektron valensi bebas, mengaitkannya sifat penebat yang baik, mempunyai nilai rintangan yang melampau.
Menyambungkan bahan silikon ke perbezaan yang berpotensi tidak akan membantu pengaliran melaluinya, melainkan jika beberapa jenis kutub positif atau negatif diciptakan ke dalamnya.
Dan untuk mewujudkan polaritas seperti itu, proses Doping dilaksanakan ke dalam bahan-bahan ini dengan menambahkan kekotoran seperti yang dibincangkan dalam perenggan sebelumnya.
Memahami Struktur Atom Silikon
Dalam gambar di atas kita melihat bagaimana struktur kisi kristal silikon tulen biasa. Untuk kekotoran, biasanya bahan seperti Arsenik, Antimoni atau Fosfor diperkenalkan di dalam kristal semikonduktor yang mengubahnya menjadi ekstrinsik, yang bermaksud 'mempunyai kekotoran'.
Kekotoran yang disebutkan terdiri dari 5 elektron pada jalur terluar mereka yang dikenal sebagai kekotoran 'Pentavalent', untuk dibagikan dengan atom-atom yang berdekatan.
Ini memastikan bahawa 4 di antara 5 atom dapat bergabung dengan atom silikon yang bersebelahan, tidak termasuk satu 'elektron bebas' yang dapat dibebaskan apabila voltan elektrik disambungkan.
Dalam proses ini, kerana atom-atom yang tidak bersih mula 'mendermakan' setiap elektron melintasi atom berdekatan mereka, atom 'Pentavalent' dinamakan sebagai 'penderma'.
Menggunakan Antimony untuk Doping
Antimoni (Sb) dan Fosfor (P) sering menjadi pilihan terbaik untuk memperkenalkan kekotoran 'Pentavalent' ke silikon. 
Di Antimony 51 elektron disusun melintasi 5 cengkerang di sekitar nukleusnya, sementara jalur terluarnya terdiri daripada 5 elektron.
Oleh kerana itu, bahan semikonduktor asas dapat memperoleh arus elektrik tambahan, masing-masing dikaitkan dengan cas negatif. Oleh itu ia dinamakan 'N-type material'.
Juga, elektron dinamakan sebagai 'Majority Carrier' dan lubang yang berkembang kemudiannya disebut sebagai 'Minority Carrier'.
Apabila semikonduktor Antimony doped mengalami potensi elektrik, elektron yang kebetulan terputus dengan segera digantikan oleh elektron bebas dari atom Antimony. Walau bagaimanapun, kerana proses ini akhirnya menjadikan elektron bebas mengambang di dalam kristal terlopong, ini menyebabkannya menjadi bahan bermuatan negatif.
Dalam kes ini, semikonduktor boleh diistilahkan sebagai N-type jika mempunyai kepadatan penderma lebih tinggi daripada ketumpatan akseptornya. Bermakna ketika ada jumlah elektron bebas yang lebih tinggi dibandingkan dengan jumlah lubang, menyebabkan polarisasi negatif, seperti yang ditunjukkan di bawah.
Memahami Semikonduktor Jenis-P
Sekiranya kita mempertimbangkan keadaan sebaliknya, memperkenalkan kekotoran 3 elektron 'Trivalent' ke dalam kristal semikonduktor, misalnya jika kita memperkenalkan aluminium, boron, atau indium, yang mengandungi 3 elektron dalam ikatan valensinya, oleh itu ikatan ke-4 menjadi mustahil untuk terbentuk.
Oleh kerana itu, sambungan yang menyeluruh menjadi sukar, menjadikan semikonduktor mempunyai banyak pembawa bermuatan positif. Pembawa ini dipanggil 'lubang' di seluruh kisi semikonduktor, kerana terdapat banyak elektron yang hilang.
Sekarang, kerana terdapatnya lubang pada kristal silikon, elektron yang berdekatan tertarik pada lubang tersebut, cuba mengisi slot. Namun, sebaik sahaja elektron berusaha melakukan ini, ia mengosongkan kedudukannya mewujudkan lubang baru pada kedudukan sebelumnya.
Ini seterusnya menarik elektron yang berdekatan, yang sekali lagi meninggalkan lubang baru ketika cuba menduduki lubang seterusnya. Proses ini terus memberi kesan bahawa sebenarnya lubang bergerak atau mengalir melintasi semikonduktor, yang secara amnya kita kenali sebagai corak arus konvensional.
Oleh kerana 'lubang nampaknya bergerak' menimbulkan kekurangan elektron yang memungkinkan seluruh kristal doped memperoleh polaritas positif.
Oleh kerana setiap atom pengotor menjadi bertanggungjawab untuk menghasilkan lubang, kekotoran separa ini disebut 'Penerima' kerana fakta bahawa ini terus menerima elektron bebas secara berterusan dalam proses tersebut.
Boron (B) adalah salah satu bahan tambahan trivalen yang popular digunakan untuk proses doping yang dijelaskan di atas.
Apabila boron digunakan sebagai bahan doping, pengaliran menyebabkan pengangkut mempunyai muatan positif.
Ini menghasilkan penciptaan bahan jenis-P yang mempunyai lubang positif yang disebut 'Majority carrier', sedangkan elektron bebas disebut 'Minority carrier'.
Ini menerangkan bagaimana bahan asas semikonduktor berubah menjadi jenis P kerana peningkatan ketumpatan atom akseptornya berbanding dengan atom penderma.
Bagaimana Boron digunakan untuk Doping
Meringkaskan Asas Semikonduktor
Semikonduktor Jenis-N (Tercantum dengan Kekotoran Pentavalen seperti Antimoni misalnya)
Semikonduktor sedemikian yang didoping dengan atom pengotor Pentavalen disebut sebagai Penderma, kerana mereka menunjukkan pengaliran melalui pergerakan elektron dan oleh itu mereka disebut sebagai Semikonduktor Jenis-N.
Dalam Semikonduktor jenis-N kita dapati:
- Penderma bermuatan positif
- Bilangan elektron bebas yang banyak
- Bilangan 'lubang' yang relatif lebih sedikit berbanding dengan 'elektron bebas'
- Hasil daripada doping, pencahayaan bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif dihasilkan.
- Penerapan perbezaan berpotensi menghasilkan pengembangan elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif.
Semikonduktor Jenis-P (Doped dengan Kekotoran Trivalen seperti Boron misalnya)
Semikonduktor sedemikian yang didoping dengan atom pengotor Trivalen disebut sebagai Penerima, kerana mereka menunjukkan konduksi melalui pergerakan lubang dan oleh itu mereka disebut sebagai Semikonduktor Jenis-P.
Dalam Semikonduktor jenis-N kita dapati:
- Penerima yang dikenakan bayaran negatif
- Kuantiti lubang yang banyak
- Bilangan elektron bebas yang relatif lebih kecil berbanding dengan adanya lubang.
- Doping menghasilkan penciptaan akseptor bermuatan negatif, dan lubang bermuatan positif.
- Penggunaan voltan yang difailkan menyebabkan penghasilan lubang bermuatan positif dan elektron bebas bermuatan negatif.
Dengan sendirinya, semikonduktor jenis P dan N kebetulan tidak elektrik secara semula jadi.
Biasanya, Antimony (Sb) dan Boron (B) adalah dua bahan yang digunakan sebagai anggota doping kerana ketersediaannya yang banyak. Ini juga dinamakan sebagai 'mettaloid'.
Setelah mengatakan ini, jika anda melihat jadual berkala, anda akan dapati banyak bahan serupa yang mempunyai 3 atau 5 elektron dalam jalur atom terluar mereka. Menyiratkan bahawa, bahan-bahan ini juga dapat menjadi sesuai untuk tujuan doping.
Jadual berkala 
Sebelumnya: Litar Pengumpan Anjing Dikendalikan Telefon bimbit Seterusnya: Memahami Litar Penguat
