Apa itu Silikon Intrinsik dan Silikon Ekstrinsik

Apa itu Silikon Intrinsic dan Silikon Ekstrinsic?

Silikon Intrinsic

Silikon adalah elemen semikonduktor yang penting. Silikon termasuk dalam bahan grup IV. Di orbit luar, silikon memiliki empat elektron valensi yang diikat oleh ikatan kovalen dengan elektron valensi dari empat atom silikon yang berdekatan. Elektron valensi ini tidak tersedia untuk listrik. Jadi, pada OoK, silikon intrinsic bertindak seperti isolator. Ketika suhu meningkat, beberapa elektron valensi memutus ikatan kovalennya karena energi termal. Ini menciptakan kekosongan, yang dikenal sebagai lubang, tempat elektron tersebut. Dengan kata lain, pada suhu apapun yang lebih tinggi dari 0oK, beberapa elektron valensi dalam kristal semikonduktor mendapatkan energi cukup untuk melompat dari band valensi ke band konduksi dan meninggalkan lubang di band valensi. Energi ini sekitar 1,2 eV pada suhu ruangan (yaitu, pada 300oK) yang setara dengan energi celah band silikon.

Dalam kristal silikon intrinsic, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron bebas. Karena setiap elektron yang meninggalkan ikatan kovalen menyumbang lubang pada ikatan yang terputus. Pada suhu tertentu, pasangan elektron-lubang baru terus dibuat oleh energi termal, sementara jumlah pasangan yang sama kembali bergabung. Oleh karena itu, pada suhu tertentu dalam volume silikon intrinsic tertentu, jumlah pasangan elektron-lubang tetap sama. Ini adalah kondisi keseimbangan. Jadi, jelas bahwa dalam kondisi keseimbangan, konsentrasi elektron bebas n dan konsentrasi lubang p sama satu sama lain, dan ini adalah konsentrasi pembawa muatan intrinsic (ni). yaitu, n = p = ni. Struktur atom ditunjukkan di bawah ini.

Silikon Intrinsic pada 0oK

Silikon Intrinsic pada Suhu Ruangan

Silikon Ekstrinsic

Silikon intrinsic dapat diubah menjadi silikon ekstrinsic ketika ditambahkan dopan dalam jumlah yang dikontrol. Jika ditambahkan atom donor (unsur grup V), silikon menjadi semikonduktor tipe-n, dan jika ditambahkan atom akseptor (unsur grup III), silikon menjadi semikonduktor tipe-p.

Misalkan sejumlah kecil unsur grup V ditambahkan ke kristal silikon intrinsic. Contoh unsur grup V adalah fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb), dan bismut (Bi). Mereka memiliki lima elektron valensi. Ketika mereka menggantikan atom Si, empat elektron valensi membuat ikatan kovalen dengan atom-atom tetangga, dan elektron kelima yang tidak berpartisipasi dalam pembentukan ikatan kovalen melekat longgar pada atom induk dan dapat dengan mudah meninggalkan atom sebagai elektron bebas. Energi yang diperlukan untuk tujuan ini, yaitu untuk melepaskan elektron kelima, sekitar 0,05 eV. Jenis impuritas ini disebut donor karena menyumbang elektron bebas ke kristal silikon. Silikon ini dikenal sebagai silikon tipe-n atau silikon negatif karena elektron bermuatan negatif.

Tingkat Energi Fermi bergerak lebih dekat ke band konduksi dalam silikon tipe-n. Di sini, jumlah elektron bebas meningkat dibandingkan dengan konsentrasi elektron intrinsic. Di sisi lain, jumlah lubang menurun dibandingkan dengan konsentrasi lubang intrinsic karena ada kemungkinan rekomposisi yang lebih besar karena konsentrasi elektron bebas yang lebih banyak. Elektron adalah pembawa muatan mayoritas.

Silikon Ekstrinsic dengan Impuritas Pentavalen

Jika sejumlah kecil unsur grup III ditambahkan ke kristal semikonduktor intrinsic, maka unsur-unsur tersebut menggantikan atom silikon, unsur-unsur grup III seperti AI, B, IN memiliki tiga elektron valensi. Tiga elektron ini membuat ikatan kovalen dengan atom-atom tetangga, menciptakan lubang. Jenis atom impuritas ini dikenal sebagai akseptor. Semikonduktor ini dikenal sebagai semikonduktor tipe-p karena lubang dianggap bermuatan positif.

Silikon Ekstrinsic dengan Impuritas Trivalen

Tingkat Energi Fermi dalam semikonduktor tipe-p bergerak lebih dekat ke band valensi. Jumlah lubang meningkat, sementara jumlah elektron menurun dibandingkan dengan silikon intrinsic. Dalam semikonduktor tipe-p, lubang adalah pembawa muatan mayoritas.

Konsentrasi Pembawa Muatan Intrinsic Silikon

Ketika elektron melompat dari band valensi ke band konduksi karena eksitasi termal, pembawa muatan bebas diciptakan di kedua band, yaitu elektron di band konduksi dan lubang di band valensi. Konsentrasi pembawa muatan ini dikenal sebagai konsentrasi pembawa muatan intrinsic. Secara praktis, dalam kristal silikon murni atau intrinsic, jumlah lubang (p) dan elektron (n) sama satu sama lain, dan sama dengan konsentrasi pembawa muatan intrinsic ni. Oleh karena itu, n = p = ni

Jumlah pembawa muatan ini tergantung pada energi celah band. Untuk silikon, energi celah band adalah 1,2 eV pada 298oK, konsentrasi pembawa muatan intrinsic dalam silikon meningkat seiring peningkatan suhu. Konsentrasi pembawa muatan intrinsic dalam silikon diberikan oleh,

Di sini, T = suhu dalam skala absolut

Konsentrasi pembawa muatan intrinsic pada 300oK adalah 1,01 × 1010 cm-3. Namun, nilai yang diterima sebelumnya adalah 1,5 × 1010 cm-3.