Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.6. Proses Pengedopan -1.6.3. Bahan Jenis N )

1.6.3 Bahan Jenis N

Bahan jenis-n terhasil dengan mencampurkan atom bendasing yang

mempunyai 5 elektron valensi, dikenali sebagai atom pentavalent, seperti

antimoni, arsenic dan phosphorus. Kesemuanya dalam kumpulan V jadual

berkala. Apabila atom bendasing dicampurkan kepada bahan separuh

pengalir, akan terdapat lebihan elektron dalam bahan yang baru terbentuk. Ini

disebabkan oleh elektron valensi kelima dari atom bendasing tidak

membentuk ikatan kovalen dengan atom separuh pengalir. Elektron valensi ini

akan memasuki jalur pengaliran sebagai elektron bebas. Tidak ada lubang

yang terjadi melalui proses ini. Oleh kerana atom bendasing yang ditambah

telah menderma elektron lebihan, maka bahan bendasing dengan 5 elektron

valensi ini dipanggil atom penderma (donor). Bahan penderma terdop ini

dikenali sebagai bahan separuh pengalir jenis-n kerana elektron bebasnya

mempunyai cas negatif(pembawa arus negatif).

Rajah 1.10: Struktur Hablur Silikon

Apabila atom bendasing pentavalent menderma elektron lebihannya, ia akan

kehilangan satu elektron. Proses ini menjadikan atom tersebut tidak seimbang

(bilangan elektron kurang daripada bilangan proton) dan dikenali sebagai ion

positif atau penderma.

Selain itu, apabila germanium atau silikon didopkan dengan bendasing

pentavalens iaitu yang mempunyai lima elektron valensi, bahan

semikonduktor jenis N dihasilkan. Bendasing ini dinamakan penderma.

Contohnya, semikonduktor Ge intrinsik mempunyai empat elektron valensi

tiap-tiap atom. Dengan kemasukkan bendasing Sb yang mempunyai lima

elektron per atom, ini akan memyebabkan pembentukkan semikonduktor jenis

N. Atom Sb akan mengantikan atom Ge dalam hablur dan elektron yang

berlebihan akan tersedia untuk menjadi pembawa arus.

Rajah 1.11 menunjukkan sumbangan elektron bebas oleh atom Sb dan Rajah

1.12 menunjukkan silikon diserapkan dengan Arsenik, Manakala Rajah 1.13

pula menunjukkan ikatan kovalen yang terhasil apabila germanium didopkan

dengan arsenik.

Rajah 1.11 : Sumbangan elektron bebas oleh atom Sb

Rajah 1.12 : Silikon diserapkan dengan Arsenik

Rajah 1.13 : Ikatan kovalen Germanium didop dengan Arsenik

Dengan itu, semikonduktor ekstrinsik boleh dianggap sebagai pengalir arus

yang baik, tanpa bergantung kepada suhu, tetapi pada suhu amat rendah,

pembawa arus majoritinya ialah elektron bebas manakala pada suhu bilik,

terhasil sedikit hol dan dikenali sebagai pembawa arus minoriti. Ketumpatan

bendasing yang kecil akan menyebabkan perubahan besar dalam ciri-ciri

elektrik semikonduktor.

Rajah 1.14 : Pergerakan arus dalam bahan jenis N

Semikonduktor yang mengandungi penderma dikenali sebagai semikonduktor

jenis n kerana pembawa arus yang dibekalkan oleh bendasing tersebut

adalah cas-cas negatif. Apabila atom bendasing ini kehilangan satu elektron,

ia akan menjadi ion bercas positif. Ion ini tidak bergerak kerana ia dipegang

oleh empat ikatan kovalen Ge jiran dan dengan itu, ion ini tidak memberi apaapa

sumbangan pada pengaliran elektrik. Elektron yang terlepas dari orbitnya

dan menjadi elektron pembawa arus negatif. Sekiranya lebih banyak

bendasing pentavalens diserap maka lebih banyak lagi elektron bebas.

Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.6. Proses Pengedopan -1.6.2 Semikonduktor Ekstrinsik )

1.6.2 Semikonduktor Ekstrinsik

Biasanya bendasing atau bahan dopan diresapkan ke dalam semikonduktor

intrinsik bagi menghasilkan peranti-peranti semikonduktor. Bahan

semikonduktor tulen jika dicampurkan dengan bahan asing, ia akan menjadi

tidak tulen lagi. Dalam keadaan ini ia akan menjadi bahan yang banyak

kegunaannya. Proses percampuran ini dinamakan proses serapan, iaitu

proses memperbanyakkan salah satu pembawa arus (elektron bebas atau

hol) dalam semikonduktor. Bendasing yang digunakan dikenali sebagai

Trivalens (mempunyai 3 elektron valens) atau Pentavalens (mempunyai 5

elektron valens). Contoh bendasing trivalens ialah Aluminium, Boron, Galium,

dan Indium manakala contoh bendasing Pentavalens ialah antimoni, arsenik

dan fosforus. Peresapan bendasing itu akan menghasilkan semikonduktor

ekstrinsik.

Oleh itu, semikonduktor ekstrinsik ialah penghasilan daripada dengan

memasukkan bendasing ke dalam semikonduktor intrinsik dengan sedemikian

cara supaya ketumpatan elektron atau lubang dinaikkan (selalunya dengan

beberapa peringkat magnitud). Semikonduktor ekstrinsik banyak digunakan

didalam pembuatan komponen-komponen demikonduktor seperti diod,

transistor dan litar bersepadu.

Bendasing yang menyumbangkan elektron pengaliran dalam semikonduktor

digelar bendasing penderma. Pegedopan bendasing pentavalen iaitu

fosforus, antimoni dan arsenik akan menghasilkan lebihan elektron. Bahan

semikonduktor ini dinamakan bahan jenis N. Bendasing yang diserapkan

dengan trivalens iaitu aluminium, galium, boron dan indium akan

menghasilkan bahan yang dinamakan bahan jenis P

Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.6. Proses Pengedopan - 1.6.1 Semikonduktor Intrinsik )

1.6 PROSES PENGEDOPAN

Di akhir topik ini anda akan dapat :

1) Menerangkan definisi semikonduktor instrinsik dan ekstrinsik.

2) Menerangkan proses pengedopan.

3) Menerangkan bahan jenis N dan bahan jenis P

Keberaliran(conductivity) bahan silikon dan germanium boleh meningkat

dengan penambahan bendasing ke dalam bahan semikonduktor instrinsik.

Proses ini dikenali sebagai pengedopan, yang menyebabkan peningkatan

pembawa arus elektron atau hol. Pengedopan akan menghasilkan bahan

jenis N dan bahan jenis P bergantung kepada bahan dopan.

1.6.1 Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik juga dikenali sebagai semikonduktor hakiki / tulen. Ia

adalah semikonduktor tulen dan tidak mengandungi unsur asing atau bahan

asing sedikitpun di dalamnya. Semikonduktor ini tidak mengalirkan arus

elektrik dengan baik dan sifatnya hampir sama dengan penebat.

Semikonduktor intrinsik ini tidak mempunyai sebarang keistimewaan. Contoh

semikonduktor tulen seperti hablur Gemanium(Ge) dan Silikon(Si).

Di dalam semikonduktor, ikatan antara atom dikenali sebagai ikatan kovalen.

Di dalam ikatan kovalen, elektron valens berkongsi dengan atom yang

berdekatan. Rajah 1.8 menunjukkan bagaimana silikon berubah melalui

elektron dalam ikatan kovalen dan perkongsian elektron melalui ikatan

kovalen yang stabil iaitu atom yang mempunyai 4 elektron valen berkongsi

dengan 4 elektron dari 4 atom yang lain. Atom ditengah sentiasa mempunyai

8 elektron valens. Setiap 4 atom yang berdekatan berkongsi satu elektron

untuk menjadi kristal.

Rajah 1.8 : Perubahan Kristal Silikon dengan Ikatan Kovalen

Rajah 1.9 menunjukkan gambaran simbolik kekisi hablur Ge dalam dimensi

dua. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, apabila elektron dibebaskan ikatan

kovalen dianggap putus dan lubang terbentuk. Lubang berkelakuan seperti

zarah yang bercas positif iaitu ia menarik zarah-zarah bercas negatif. Lubang

juga mempunyai sifatekun.

Rajah 1.9 : Gambaran simbolik kekisi hablur Ge dalam dua dimensi

Apabila suhu semikonduktor dinaikkan tinggi daripada 0o K, lebih banyak

tenaga tersedia ada dan sekali-sekali ikatan kovalen diputuskan. Pada suhu

mutlak, valen pada semikonduktor diikat kuat dengan ikatan kovalen. Oleh itu,

tiada arus elektrik. Tetapi, pada suhu bilik (25oC), tenaga haba adalah cukup

untuk menyebabkan banyak elektron dibebaskan daripada ikatan kovalen.

Elektron-elektron ini tersedia untuk menyebabkan aliran arus melalui

semikonduktor itu.

Dalam semikonduktor intrinsik semua elektron dalam jalur pengaliran berasal

daripada jalur valensi iaitu elektron-elektron tersebut telah diuja seberang sela

larangan. Elektron yang bebas dari ikatan kovalen dikenali sebagai elektron

bebas dan sela ini dikenali sebagai hol. Proses ini dinamakan sebagai

penghasilan hol elektron. Kadang-kadang elektron bebas boleh digabungkan

dengan hol. Selepas beberapa mikrosaat, elektron bebas kehilangan tenaga

dan kembali ke ikatan valen.

Elektron bebas dan lubang daripada ikatan kovalen yang putus membentuk

satu pasangan elektron-lubang dan dikenali sebagai penjanaan elektron dan

lubang. Apabila elektron bergerak secara rawak dalam semikonduktor, ada

kemungkinan ia akan bertemu dengan lubang. Apabila ini berlaku, ikatan

kovalen akan dibentuk semula. Dengan cara ini, elektron dan lubang dengan

serentak akan berhenti daripada menjadi pembawa-pembawa cas. Proses ini

dikenali sebagi gabungan semula.

Lebih tinggi suhu hablur, lebih besar kadar penjanaan. Apabila kadar

penjanaan dinaikkan, ketumpatan elektron dan lubang juga akan naik. Pada

masa yang sama, kadar pengabungan semula adalah tinggi. Ketumpatan

elektron dan lubang dalam semikonduktor intrinsik naik ke suatu aras

sehingga kadar gabungan semula lubang dan elektron sama dengan kadar

penjanaan mereka. Penjanaan dan gabungan semula pasangan elektronelektron

mengambarkan satu keadaan yang kekal dalam hablur dan keduadua

proses ini adalah dalam keseimbangan.

Oleh itu, pembawa-pembawa cas mempunyai masa hayat yang terhad iaitu

daripada waktu mereka dijanakan sehingga mereka digabung semula. Masa

hayat mereka adalah kuantiti statistik yang boleh berubah. Masa hayat purata

secara khususnya dalam julat kurang daripada 1 mikrosaat hingga lebih satu

milisaat mengikut keadaan.

Dalam masa hayatnya, pembawa cas bergerak dalam jarak-jarak yang

tertentu. Jalan yang dilalui oleh pembawa cas ini adalah tidak teratur kerana

ia dihalang atau diganggu oleh perlanggaran yang sering berlaku. Oleh itu,

kita hanya boleh bercakap tentang jarak purata satu elektron atau lubang

semasa ia bergerak dalam masa hayatnya. Jarak ini disebut jarak resapan.

Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.5. PENGALIRAN ARUS DALAM SEMIKONDUKTOR)

1.5 PENGALIRAN ARUS DALAM SEMIKONDUKTOR

Di akhir topik ini anda akan dapat :

1) Menerangkan bagaimana arus dihasilkan dalam bahan semikonduktor.

2) Menerangkan mengenai elektron bebas sebagai pembawa arus.

3) Menerangkan mengenai hol sebagai pembawa arus

1.5.1 Elektron Bebas Dan Hol Sebagai Pembawa Arus

Pembawa arus ialah satu lingkaran tenaga di mana elektron dapat bergerak

dengan bebas di dalam pepejal. Elektron Bebas adalah elektron yang boleh

bergerak dengan bebas apabila daya luaran dikenakan. Oleh kerana elektron

bercas negatif, maka elektron bebas ini dikenali sebagai pembawa arus

negatif. Hol pula ialah ruangan di dalam ikatan kovalen yang tinggal apabila

sesuatu elektron melompat dari petala valens atau lingkaran kepada lingkaran

pembawa arus. Oleh kerana ruang ini bercas positif, jadi ia disebut sebagai

pembawa arus positif.

Merujuk Rajah 1.6, elektron yang terbebas dari ikatan kovalan dipanggil

Elektron Bebas. Elektron–elektron bebas merupakan pembawa-pembawa

arus. Oleh kerana elektron bercas negatif, maka elektron bebas dikenali

sebagai Pembawa Arus Negatif.

                                              Rajah 1.6 : Pembawa arus

Apabila elektron terlepas dari ikatan kovelannya ia akan meninggalkan ruang

kosong yang dipanggil Hol (hole) atau lubang. Ketiadaan elektron ditempatnya

bermakna ketiadaan cas negatif, iaitu maksudnya ruang itu telah menjadi cas

positif. Hol yang bercas positif juga merupakan pembawa arus. Ia disebut

sebagai Pembawa Arus Positif.

Elektron–elektron Bebas mempunyai kecenderungan untuk mencari hol–hol,

sementara hol-hol mempunyai kecenderungan untuk menarik elektronelektron

bebas. Masing–masing bertujuan untuk membentuk semula ikatan

kovelan.

Kewujudan elektron–elektron bebas dan hol–hol dalam semikonduktor

merupakan sumbangan terhadap pengaliran arus elektrik jika suatu beza

upaya (voltan) dikenakan merentas bahan tersebut. Rajah 1.7 ialah

menggambarkan arah pengerakan arus, yang dapat dilihat elektron bergerak

daripada terminal positif kepada terminal negatif manakala hol pula bergerak

daripada terminal negatif kepada positif.

                                                 Rajah 1.7 : Pergerakan Arus

Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.4. Pengkelasan Semikonduktor )

1.4 PENGKELASAN SEMIKONDUKTOR

Setelah tamat subtopik ini, anda akan dapat:

1) Menerangkan struktur bagi atom silikon dan germanium.

Semikonduktor tulen ialah bahan yang mempunyai empat elektron valens

pada lapisan yang paling luar, contohnya ialah Silikon dan Germinium. Silikon

mempunyai 14 elektron manakala Germinium mempunyai 32 elektron. Contoh

kongfigurasi adalah seperti berikut:

Lapisan            Silikon             Germanium

     K                     2                          2

     L                     8                          8

     M                   (4)                       (18)

     N                     -                         (4)

Rajah 1.5 : Stuktur bagi (a) Atom Silikon dan (b) Germanium

Sistem Elektronik 1 - ( Bab 1 - Bahan Semikonduktor - 1.3. Ikatan Kovalen )

1.3 IKATAN KOVELAN

Setelah tamat subtopik ini, anda akan dapat:

1) Mentakrifkan Ikatan Kovalen

2) Menerangkan proses bagaimana ikatan kovalen terjadi

Takrif ikatan kovalen ialah perkongsian satu elektron valens suatu atom

dengan satu elektron valens dari atom jirannya. Demikian juga bagi hablur

semikonduktor Germanium. Elektron yang berkongsi melibatkan elektron yang

berada pada petala yang terluar dan juga dikenali sebagai elektron valens.

Perkongsian elektron ini bertujuan untuk menjadikan atom-atom itu stabil.

Ikatan ion akan terbentuk dengan pemindahan elektron secara lengkap

daripada satu atom kepada yang lain. Secara ringkasnya ialah perkongsian

elektronnya dengan elektron atom jiran-jirannya untuk membentuk atom yang

stabil

Dalam menghasilkan satu ikatan kovelan tunggal di antara dua atom, satu

elektron dari setiap atom dipaut secara sepunya oleh kedua-duanya.

Pasangan elektron yang diperkongsikan bagi mendirikan ikatan kovelan

tunggal. Begitu juga dengan penghasilan ikatan kovelan double dan tripel

yang melibatkan dua atau tiga pasang elektron diperkongsikan secara lazim.

Bahan separuh pengalir juga mengalami perkongsian elektron valensnya.

Perkongsian elektron yang sama banyak dengan pasangannya menjadikan

bahan ini boleh berkeadaan diantara penebat dan pengalir. Biasanya unsur ini

mengikat elektronnya dengan unsur yang sama bagi mendapatkan ikatan

yang stabil dan teguh. Rajah 1.4 menunjukkan struktur atom silikon yang

bergabung membentuk ikatan kovelan. Atom-atom ini berkongsi empat

elektron pada petala luar dengan atom jirannya.

    

Rajah 1.4 : Ikatan Kovelen bagi Atom Silikon

Kebanyakan sebatian kovelan adalah terbentuk dengan gabungan di antara

unsur-unsur bukan logam dari blok-p; karbon khususnya membentuk bilangan

sebatian kovelan yang besar.

Sifat-sifat tipikal bagi bahan-bahan kovelan adalah terdiri daripada molekulmolekul

kovelan individu dan bentuk pepejal bahan-bahan itu sama ada

berbentuk amorfus atau wujud sebagai hablur-hablur molekul. Daya-daya di

antara molekul di dalam hablur itu adalah lemah dan bahan-bahan itu lembut

jika ianya pepejal. Pada suhu bilik ia biasanya gas atau cecair.

Sebatian kovelan adalah bukan elaktrolit kerana ia tidak mengandungi ion-ion.

Ia mempunyai takat lebur dan takat didih yang rendah kerana sedikit tenaga

diperlukan untuk memecahkan ikatan antara molekul yang lemah itu. Ia

biasanya larut dalam bezena dan pelarut organik lain dan tak larut dalam air.

Bagi bahan separuh pengalir, sifat bahan ini hampir seperti penebat pada

suhu bilik. Akan tetapi ikatan ini boleh terjejas disebabkan oleh beberapa

foktor seperti haba, suhu, dan bezaupaya jika dikenakan terhadap ikatan ini.

Merujuk Rajah 1.4, didapati setiap atom seolah-oleh mempunyai 8 elektron

valens. Ini menjadikan setiap atom itu stabil dan seolah-oleh dapat

menghindar sebarang aktiviti elektrik (seperti insulator). Walaubagaimanapun,

kestabilan ini tidak kekal. Beberapa faktor boleh menyebabkan elektron

terbebas dari orbitnya (terlepas dari ikatan kovalen). Di antaranya ialah faktor

haba atau kenaikan suhu.

Pada paras suhu amat rendah, keteguhan ikatan kovalan adalah terbaik. Jika

berlaku kenaikan suhu, kestabilan atom–atom mula tergugat. Akan ada

elektron–elektron yang berlepas dari ikatan masing–masing. Elektron–

elektron yang terbebas akan bergerak berpindah–pindah dari satu orbit ke

orbit atom lain dalam keadaan tak menentu ( random).

Demikian juga dengan beza upaya ( voltan) yang tinggi, jika dikenakan

merentas bahan itu, boleh juga membebaskan elektron. Elektron–elektron

akan tertarik kepada upayaan positif dan dengan tenaga yang cukup akan

terbebas dan bergerak (mengalir) menuju kepada upayaan tersebut.

Proses serapan/pengedopan merupakan satu cara untuk membebaskan

elektron–elektron dari ikatan–ikatan kovelan.