Kimia Material Semikonduktor

Kimia material semikonduktor mempelajari padatan yang konduktivitasnya berada di antara logam dan isolator dan dapat dikontrol secara tepat oleh komposisi dan doping, menyediakan material dari mana perangkat elektronik dan optoelektronik dibangun.

Definition

Semikonduktor adalah padatan dengan celah pita sedang yang konduktivitas listriknya dapat dikontrol dalam rentang magnitudo yang luas oleh suhu dan terutama oleh doping; kimia material semikonduktor mempelajari komposisi, cacat, dan preparasi padatan tersebut.

Scope

Topik ini mencakup kimia padatan semikonduktor: celah pita yang mendefinisikan semikonduktor, konduksi intrinsik versus ekstrinsik, dan doping semikonduktor unsur seperti silikon dan germanium dengan donor dan akseptor. Ini meluas ke semikonduktor senyawa — keluarga III-V dan II-VI — yang celah langsungnya yang dapat disetel cocok untuk emisi cahaya, dan ke metode pemurnian, pertumbuhan kristal, dan deposisi lapisan tipis yang menghasilkan material tingkat perangkat.

Core questions

• Rentang celah pita apa yang mendefinisikan semikonduktor?
• Bagaimana dopan donor dan akseptor mengontrol konduktivitas dan jenis pembawa?
• Bagaimana semikonduktor senyawa memperluas rentang celah pita yang tersedia?
• Bagaimana material semikonduktor tingkat perangkat dimurnikan dan ditumbuhkan?

Key concepts

• Celah pita
• Semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik
• Doping donor dan akseptor
• Senyawa III-V dan II-VI
• Celah langsung dan tidak langsung
• Pertumbuhan dan pemurnian kristal

Key theories

Konduksi intrinsik dan ekstrinsik

Dalam semikonduktor intrinsik, konduksi bergantung pada pasangan elektron-lubang yang dihasilkan secara termal melintasi celah; doping dengan atom donor atau akseptor menambahkan keadaan dangkal yang memasok pembawa dengan tanda yang dipilih, membuat konduktivitas dapat dikontrol oleh komposisi.

Semikonduktor senyawa dan rekayasa celah pita

Menggabungkan unsur-unsur dari golongan III dan V atau II dan VI menghasilkan semikonduktor yang celah pitanya dan apakah itu langsung atau tidak langsung dapat disetel oleh komposisi, memungkinkan desain material yang sesuai dengan fungsi elektronik dan pemancar cahaya tertentu.

Mechanisms

Dopan donor menempatkan elektron tepat di bawah pita konduksi dan akseptor menempatkan lubang tepat di atas pita valensi, sehingga energi termal yang moderat mengionisasinya dan menetapkan konsentrasi pembawa; rekombinasi pembawa melintasi celah langsung memancarkan cahaya, dasar dari sumber cahaya semikonduktor.

Clinical relevance

Material semikonduktor adalah fondasi mikroelektronika dan optoelektronika: silikon yang didoping membuat transistor dan sirkuit terpadu, semikonduktor senyawa membuat dioda pemancar cahaya, dioda laser, dan fotodetektor, dan kemurnian serta kesempurnaan kristal yang dicapai melalui kimia yang cermat menentukan kinerja perangkat.

History

Pemahaman tentang semikonduktor mengkristal sekitar penemuan transistor pada tahun 1947, yang menunjukkan bahwa doping silikon dan germanium yang terkontrol dapat membuat perangkat yang dapat diaktifkan dan menguatkan. Pengembangan pemurnian zona dan pertumbuhan kristal tunggal kemudian menyediakan material ultra-murni, dan semikonduktor senyawa memperluas bidang ini ke emisi cahaya dan elektronika berkecepatan tinggi.

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

Bagaimana doping mengubah kristal yang tampak isolator menjadi konduktor yang berguna?

Menambahkan sejumlah kecil unsur dengan satu elektron valensi lebih banyak atau satu lebih sedikit dari inang memperkenalkan tingkat energi dangkal di dekat tepi pita. Ini melepaskan elektron atau lubang yang mudah diaktifkan, meningkatkan konduktivitas hingga beberapa orde magnitudo dan menentukan apakah konduksi dilakukan oleh pembawa negatif atau positif.

Mengapa perangkat pemancar cahaya menggunakan semikonduktor senyawa daripada silikon?

Silikon memiliki celah pita tidak langsung, sehingga rekombinasi elektron-lubang jarang memancarkan foton. Banyak semikonduktor senyawa memiliki celah langsung, di mana rekombinasi secara efisien menghasilkan cahaya, menjadikannya material pilihan untuk dioda pemancar cahaya dan dioda laser.