Teknologi modern dimungkinkan karena kelas bahan yang disebut semikonduktor. Semua komponen aktif, sirkuit terpadu, microchip, transistor, dan banyak sensor dibangun dengan bahan semikonduktor.
Sementara silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam elektronik, berbagai semikonduktor digunakan, termasuk germanium, galium arsenida, silikon karbida, dan semikonduktor organik. Setiap bahan memiliki keunggulan seperti rasio biaya terhadap kinerja, operasi kecepatan tinggi, toleransi suhu tinggi, atau respons yang diinginkan terhadap sinyal.
Semikonduktor
Semikonduktor berguna karena para insinyur mengontrol sifat dan perilaku listrik selama proses manufaktur. Sifat semikonduktor dikendalikan dengan menambahkan sejumlah kecil pengotor dalam semikonduktor melalui proses yang disebut doping. Pengotor dan konsentrasi yang berbeda menghasilkan efek yang berbeda. Dengan mengontrol doping, cara arus listrik mengalir melalui semikonduktor dapat dikontrol.
Dalam konduktor biasa, seperti tembaga, elektron membawa arus dan bertindak sebagai pembawa muatan. Dalam semikonduktor, baik elektron maupun hole (tidak adanya elektron) bertindak sebagai pembawa muatan. Dengan mengontrol doping semikonduktor, konduktivitas dan pembawa muatan disesuaikan menjadi berbasis elektron atau hole.
Ada dua jenis doping:
- Dopan tipe-N, biasanya fosfor atau arsenik, memiliki lima elektron, yang bila ditambahkan ke semikonduktor, memberikan elektron bebas ekstra. Karena elektron memiliki muatan negatif, bahan yang didoping dengan cara ini disebut tipe-N.
- Dopan tipe-P, seperti boron dan galium, memiliki tiga elektron, yang mengakibatkan tidak adanya elektron dalam kristal semikonduktor. Ini menciptakan lubang atau muatan positif, maka nama tipe-P.
Dopan tipe-N dan tipe-P, bahkan dalam jumlah kecil, membuat semikonduktor menjadi konduktor yang layak. Namun, semikonduktor tipe-N dan tipe-P tidak istimewa dan hanya merupakan konduktor yang layak. Ketika jenis ini ditempatkan dalam kontak satu sama lain, membentuk sambungan P-N, semikonduktor mendapatkan perilaku yang berbeda dan berguna.
Dioda Sambungan P-N
Persimpangan P-N, tidak seperti setiap bahan secara terpisah, tidak bertindak seperti konduktor. Daripada membiarkan arus mengalir di kedua arah, sambungan P-N memungkinkan arus mengalir hanya dalam satu arah, menciptakan dioda dasar.
Menerapkan tegangan melintasi persimpangan P-N dalam arah maju (bias maju) membantu elektron di wilayah tipe-N bergabung dengan lubang di wilayah tipe-P. Mencoba untuk membalikkan aliran arus (reverse bias) melalui dioda memaksa elektron dan lubang terpisah, yang mencegah arus mengalir melintasi persimpangan. Menggabungkan sambungan P-N dengan cara lain membuka pintu ke komponen semikonduktor lainnya, seperti transistor.
Transistor
Transistor dasar dibuat dari kombinasi sambungan tiga bahan tipe-N dan tipe-P daripada keduanya yang digunakan dalam dioda. Menggabungkan bahan-bahan ini menghasilkan transistor NPN dan PNP, yang dikenal sebagai transistor persimpangan bipolar (BJT). Pusat, atau basis, wilayah BJT memungkinkan transistor untuk bertindak sebagai sakelar atau penguat.
Transistor NPN dan PNP terlihat seperti dua dioda yang ditempatkan saling membelakangi, yang menghalangi semua arus mengalir ke kedua arah. Ketika lapisan tengah dibias maju sehingga arus kecil mengalir melalui lapisan tengah, sifat-sifat dioda yang terbentuk dengan lapisan tengah berubah untuk memungkinkan arus yang lebih besar mengalir di seluruh perangkat. Perilaku ini memberi transistor kemampuan untuk memperkuat arus kecil dan bertindak sebagai sakelar yang menghidupkan atau mematikan sumber arus.
Banyak jenis transistor dan perangkat semikonduktor lainnya dihasilkan dari penggabungan sambungan P-N dalam beberapa cara, dari transistor fungsi khusus canggih hingga dioda terkontrol. Berikut ini adalah beberapa komponen yang dibuat dari kombinasi sambungan P-N yang cermat:
- DIAC
- Dioda laser
- Dioda pemancar cahaya (LED)
- Dioda Zener
- Transistor Darlington
- Transistor efek medan (termasuk MOSFET)
- Transistor IGBT
- Penyearah terkontrol silikon
- Sirkuit terintegrasi
- Mikroprosesor
- Memori digital (RAM dan ROM)
Sensor
Selain kontrol arus yang memungkinkan semikonduktor, semikonduktor juga memiliki sifat yang menghasilkan sensor yang efektif. Ini dapat dibuat menjadi sensitif terhadap perubahan suhu, tekanan, dan cahaya. Perubahan resistansi adalah jenis respons yang paling umum untuk sensor semikonduktor.
Jenis sensor yang dimungkinkan oleh sifat semikonduktor meliputi:
- Sensor efek hall (sensor medan magnet)
- Thermistor (sensor suhu resistif)
- CCD/CMOS (sensor gambar)
- Photodiode (sensor cahaya)
- Photoresistor (sensor cahaya)
- Piezoresistif (sensor tekanan/regangan)
