Bahan semikonduktor secara nominal merupakan isolator celah pita kecil. Sifat yang menentukan dari bahan semikonduktor adalah bahwa bahan tersebut dapat dikompromikan dengan menambahkan pengotor yang mengubah sifat elektroniknya dengan cara yang dapat dikontrol. Karena penerapannya dalam industri komputer dan fotovoltaik —dalam perangkat seperti transistor, laser, dan sel surya —pencarian material semikonduktor baru dan penyempurnaan material yang sudah ada merupakan bidang studi penting dalam ilmu material.[1][2][3][4]
Bahan semikonduktor yang paling umum digunakan adalah padatan anorganik kristal. Bahan-bahan ini diklasifikasikan menurut tabel periodik kelompok atom penyusunnya.
Bahan semikonduktor yang berbeda memiliki sifat yang berbeda pula. Jadi, dibandingkan dengan silikon, semikonduktor majemuk memiliki kelebihan dan kekurangan. Misalnya, galium arsenida (GaAs) memiliki mobilitas elektron enam kali lebih tinggi dibandingkan silikon, sehingga memungkinkan pengoperasian lebih cepat; celah pita yang lebih lebar, yang memungkinkan pengoperasian perangkat berdaya pada suhu lebih tinggi, dan memberikan kebisingan termal yang lebih rendah pada perangkat berdaya rendah pada suhu kamar; celah pita langsungnya memberikan sifat optoelektronik yang lebih baik dibandingkan celah pita tidak langsung silikon; ia dapat dipadukan dengan komposisi terner dan kuaterner, dengan lebar celah pita yang dapat disesuaikan, memungkinkan emisi cahaya pada panjang gelombang yang dipilih, yang memungkinkan pencocokan dengan panjang gelombang yang paling efisien ditransmisikan melalui serat optik. GaAs juga dapat ditanam dalam bentuk semi-isolasi, yang cocok sebagai substrat isolasi yang cocok dengan kisi untuk perangkat GaAs. Sebaliknya, silikon kuat, murah, dan mudah diproses, sedangkan GaAs rapuh dan mahal, dan lapisan insulasi tidak dapat dibuat hanya dengan menumbuhkan lapisan oksida; Oleh karena itu GaAs hanya digunakan jika silikon tidak mencukupi.
Dengan memadukan beberapa senyawa, beberapa bahan semikonduktor dapat disetel, misalnya dalam celah pita atau konstanta kisi. Hasilnya adalah komposisi ternary, quaternary, atau bahkan quinary. Komposisi terner memungkinkan penyesuaian celah pita dalam rentang senyawa biner yang terlibat; namun, dalam kasus kombinasi bahan celah pita langsung dan tidak langsung, terdapat rasio di mana celah pita tidak langsung berlaku, sehingga membatasi rentang yang dapat digunakan untuk optoelektronik; misalnya LED AlGaAs dibatasi hingga 660 nm dengan ini. Konstanta kisi senyawa juga cenderung berbeda, dan ketidakcocokan kisi terhadap substrat, bergantung pada rasio pencampuran, menyebabkan cacat dalam jumlah bergantung pada besarnya ketidakcocokan; ini mempengaruhi rasio rekombinasi radiasi/nonradiatif yang dapat dicapai dan menentukan efisiensi cahaya perangkat. Komposisi kuarter dan lebih tinggi memungkinkan penyesuaian celah pita dan konstanta kisi secara bersamaan, memungkinkan peningkatan efisiensi pancaran pada rentang panjang gelombang yang lebih luas; misalnya AlGaInP digunakan untuk LED. Bahan yang transparan terhadap panjang gelombang cahaya yang dihasilkan adalah menguntungkan, karena hal ini memungkinkan ekstraksi foton yang lebih efisien dari sebagian besar bahan. Artinya, pada material transparan seperti itu, produksi cahaya tidak terbatas hanya pada permukaan saja. Indeks bias juga bergantung pada komposisi dan mempengaruhi efisiensi ekstraksi foton dari material.
Semikonduktor diklasifikasikan menurut komposisi kimianya. Ada semikonduktor dasar seperti silikon (Si), germanium (Ge), dan timah abu-abu (α-Sn), yang semuanya termasuk dalam golongan 14 tabel periodik (sebelumnya disebut golongan IVB dan di sini disebut sebagai golongan IV). Ada juga semikonduktor komposit, biner, terner, kuaterner, atau bahkan kuiner, yang masing-masing terdiri dari dua, tiga, empat, atau lima spesies kimia berbeda. Unsur-unsur ini dapat berasal dari golongan IV, seperti dalam kasus silikon karbida, tetapi lebih umum unsur-unsur tersebut berasal dari golongan lain, yang paling umum adalah semikonduktor III-V, terdiri dari unsur-unsur Golongan III (golongan 13) (aluminium, galium, indium, dll.) dan unsur Golongan V (golongan 15) (nitrogen, fosfor, arsenik, antimon, dll.).
Semikonduktor berdasarkan Grup
Grup IV
Unsur-unsur golongan IV merupakan unsur yang luar biasa dalam tabel periodik karena lapisan terluar atom-atomnya hanya terisi setengahnya. Dengan pertukaran empat elektron dari lapisan terluar dengan atom Si lainnya, struktur kristal tiga dimensi tanpa arah preferensi dapat diwujudkan. Kita juga dapat menggabungkan dua elemen semikonduktor IV yang berbeda untuk mendapatkan bahan senyawa seperti SiC (silikon karbida). SiC merupakan material di dekat garis batas antara semikonduktor dan isolator dengan konstanta kisi 0,436 nm dan celah energi 3,0 eV (413 nm).
Semikonduktor berikut terletak di golongan 14 tabel periodik :
- Semikonduktor dasar:
- Semikonduktor komposit:
Grup III-V
Semikonduktor III-V adalah semikonduktor komposit yang terbuat dari satu atau lebih unsur dari kolom III tabel periodik (boron, aluminium, galium, indium, dll.), dan satu atau lebih unsur kolom V atau pniktogen (nitrogen, fosfor, arsenik, antimon, dll). Semikonduktor III-V sangat menarik karena sifat-sifatnya:
- mereka kuat;
- mereka memiliki konduktivitas termal yang tinggi ;
- titik lelehnya tinggi ;
- mereka memiliki celah pita langsung.
Bahan-bahan ini terutama digunakan dalam mikroelektronika untuk sirkuit terpadu, sel fotovoltaik, dan perangkat optoelektronik seperti dioda pemancar cahaya (LED).
- Paduan biner:
- Boron nitrida (BN)
- Aluminium nitrida (AlN)
- Galium nitrida (GaN)
- Indium nitrida (InN)
- Boron fosfida (BP)
- Aluminium fosfida (AlP)
- Gallium fosfida (GaP)
- Indium Fosfida (InP)
- Boron arsenida (BA)
- Aluminium arsenida (AlAs)
- Gallium arsenida (GaAs)
- Indium arsenida (InAs)
- Aluminium antimonida (AlSb)
- Galium antimonida (GaSb)
- Antimonida indium (InSb)
- Paduan terner:
- Aluminium galium nitrida (AlGaN)
- Gallium-indium nitrida (InGaN)
- Aluminium Gallium Fosfida (AlGaP)
- Gallium-indium fosfida (InGaP)
- Aluminium-gallium arsenida (AlGaAs, Al x Ga 1-x As)
- Aluminium-indium arsenida (AlInAs, Al x Dalam 1-x As)
- Gallium-indium arsenida (InGaAs, In x Ga 1-x As)
- Arsenio-gallium nitrida (GaAsN)
- Gallium fosfo-arsenida (GaAsP)
- Gallium arsenioantimonida (InAsGa)
- Indium arsenioantimonida (InAsSb)
- Aluminium-gallium antimonida (AlGaSb)
- Antimonida aluminium-indium (AlInSb)
- Antimonida galium-indium (InGaSb)
- Paduan kuarter:
- Aluminium-gallium-indium fosfida (AlGaInP, atau InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP)
- Arsenio-aluminium-gallium fosfida (AlGaAsP)
- Gallium-indium arseniofosfatida (InGaAsP)
- Arsenio-aluminium-indium fosfida (AlInAsP)
- Arsenio-gallium aluminium nitrida (AlGaAsN)
- Arsenio-gallium-indium nitrida (InGaAsN)
- Arsenio-aluminium-indium nitrida (InAlAsN)
- Arsenio-antimonio-gallium nitrida (GaAsSbN)
- Paduan kuiner:
- Arsenio-antimonio-gallium-indium nitrida (GaInNAsSb)
- Gallium-indium arsenio-antimonio-fosfida (GaInAsSbP)
Grup II-VI
Semikonduktor berikut adalah paduan unsur-unsur yang termasuk dalam golongan 12 dan golongan kalkogen :
- Paduan biner:
- Kadmium sulfida (CdS)
- Kadmium selenida (CdSe)
- Kadmium telurida (CdTe)
- Merkuri sulfida (HgS)
- Merkuri selenida (HgSe)
- Merkuri telurida (HgTe)
- Seng oksida (ZnO)
- Seng sulfida (ZnS)
- Seng selenida (ZnSe)
- Seng telurida (ZnTe)
- Paduan terner:
- Telluride kadmium-seng (CdZnTe, CZT)
- Merkuri-kadmium telurida (HgCdTe, MCT)
- Merkuri-seng tellurida (HgZnTe, MZT)
- Merkuri-seng selenida (HgZnSe)
Grup I-VII
Semikonduktor berikut adalah paduan unsur-unsur yang termasuk dalam golongan 11 dan golongan halogen :
- Tembaga(I) klorida (CuCl)
Grup IV-VI
Semikonduktor berikut adalah paduan unsur-unsur yang termasuk dalam golongan 14 dan golongan kalkogen :
- Paduan biner:
- Timah(II) sulfida (SnS)
- Timah selenida (SnSe)
- Timah telurida (SnTe)
- Timbal(II) sulfida (PbS)
- Timbal selenida (PbSe)
- Timbal telurida (PbTe)
- Paduan terner:
- Tellurida timbal-timah (PbSnTe)
- Timah talium telurida (Tl 2 SnTe 5)
- Germanium-thallium tellurida (Tl 2 GeTe 5)
Grup II-V
Semikonduktor berikut adalah paduan unsur-unsur yang termasuk dalam golongan 12 dan pniktogen.
- Kadmium fosfida (Cd 3 P 2)
- Kadmium arsenida (Cd 3 As 2)
- Antimonida kadmium (Cd 3 Sb 2)
- Seng fosfida (Zn 3 P 2)
- Seng arsenida (Zn 3 As 2)
- Seng antimonida (Zn 3 Sb 2)
Grup V-VI
Semikonduktor berikut adalah paduan unsur-unsur yang termasuk dalam pniktogen dan kalkogen :
- Bismut(III) sulfida (Bi 2 S 3)
- Bismut selenida (Bi 2 Se 3)
- Bismut(III) telurida (Bi 2 Te 3)
Semikonduktor Berlapis
- Timbal(II) iodida (PbI 2)
- Molibdenum disulfida (MoS 2)
- Galium(II) selenida (GaSe)
- Timah(II) sulfida (SnS)
Lihat pula
Referensi
- ^ Jones, E.D. (1991). "Control of Semiconductor Conductivity by Doping". Dalam Miller, L. S.; Mullin, J. B. Electronic Materials. New York: Plenum Press. hlm. 155–171. doi:10.1007/978-1-4615-3818-9_12. ISBN 978-1-4613-6703-1.
- ^ Milton Ohring Reliability and failure of electronic materials and devices Academic Press, 1998, ISBN 0-12-524985-3, p. 310.
- ^ John Dakin, Robert G. W. Brown Handbook of optoelectronics, Volume 1, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7 p. 57
- ^ Yu, Peter; Cardona, Manuel (2010). Fundamentals of Semiconductors (edisi ke-4). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. hlm. 2. Bibcode:2010fuse.book.....Y. doi:10.1007/978-3-642-00710-1. ISBN 978-3-642-00709-5.