Doping (semikonduktor)

Dalam produksi semikonduktor, doping menunjuk ke proses yang bertujuan menambah ketidakmurnian (impurity) kepada semikonduktor sangat murni (juga disebut intrinsik) dalam rangka mengubah sifat listriknya, i.e., dengan cara mengubah jumlah pembawa muatan. Ketidakmurnian ini tergantung dari jenis semikonduktor, i.e., golongan atom doping.

Beberapa dopant biasanya ditambahkan ketika boule ditumbuhkan, memberikan setiap wafer doping awal yang hampir seragam. Pada rangkaian terintegrasi, wilayah terpilih (biasanya dikontrol oleh photolithografi) didop lebih lanjut dengan proses difusi atau implantasi ion, metode kedua lebih populer dalam produksi skala besar karena kemudahan pengontrolannya.

Jumlah atom dopant yang dibutuhkan untuk menciptakan sebuah perbedaan dalam kemampuan sebuah semikonduktor sangat kecil. Bila sejumlah kecil atom dopant ditambahkan (dalam order 1 setiap 100.000.000 atom), doping ini disebut rendah atau ringan. Ketika lebih banyak atom dopant ditambahkan (dalam order 10.000) doping ini disebut sebagai berat atau tinggi. Hal ini ditunjukkan sebagai n+ untuk dopant tipe-n atau p+ untuk doping tipe-p.

Ada dua jenis proses doping yang dilakukan dengan menggunakan jenis dopan yang berbeda. Ini dikenal sebagai doping tipe-n dan tipe-p, dan dopan yang digunakan dalam proses ini disebut dopan tipe-n dan dopan tipe-p.

Ketika semikonduktor, seperti silikon unsur golongan IV (Si), didoping dengan arsenik (As), dopan tipe-n pentavalen dari golongan V yang mengandung satu elektron valensi lebih banyak daripada semikonduktor murni, pengotor bertindak sebagai donor elektron. Ketika ini terjadi, atom dopan menggantikan partikel silikon dalam struktur, memasukkan elektron valensi tambahan ke dalam kisi. Elektron valensi kelima ini menghasilkan kelebihan elektron.

Semikonduktor tipe-n terbentuk ketika beberapa partikel pengotor menggantikan atom semikonduktor asli dalam kisi. Semikonduktor yang baru terbentuk menghantarkan arus lebih baik daripada semikonduktor asli. Kelebihan elektron terletak pada kulit valensi berenergi tinggi, dengan sedikit energi yang diperlukan untuk menggesernya menuju pita konduksi.

• Doping tipe-N memasukkan atom pengotor yang mengandung tambahanelektron valensi melampaui apa yang dimiliki atom semikonduktor murni.
• Untuk silikon, unsur dari golongan V seperti fosfor atau arsenik bekerja dengan baik.
• Setiap atom pengotor berikatan dengan kisi silikon, namun juga mempertahankan elektron ekstra yang terikat lemah yang dapat melepaskan diri dan bergerak ke seluruh material – mengisi silikon secara negatif.
• Itu sebabnya mereka disebut pengotor donor: mereka menyumbangkan elektron bergerak.

Penambahan dopan trivalen golongan III tipe-p (seperti boron, B) ke bahan semikonduktor memungkinkan dopan bekerja sebagai akseptor elektron karena memiliki satu elektron valensi lebih sedikit daripada semikonduktor.

Ketika beberapa atom dopan trivalen menggantikan atom semikonduktor dalam kisi, lubang elektron dihasilkan yang dapat beroperasi sebagai pembawa elektron di dalam kisi, menghasilkan bahan tipe-p. Semikonduktor tipe P dibedakan berdasarkan kekurangan muatan negatif dan lubang positif, yang memiliki efek yang sama dengan kelebihan muatan positif. Lubang positif ini menerima elektron, sehingga meningkatkan kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan arus.

• Doping tipe-P menghasilkan pengotor dengan elektron valensi lebih sedikit daripada yang dimiliki semikonduktor intrinsik itu sendiri.
• Untuk silikon, unsur golongan III seperti boron atau galium dapat membantu.
• Atom-atom pengotor berikatan dengan tetangga semikonduktornya, tetapi meninggalkan tempat kosong di kisi karena mereka memiliki lebih sedikit elektron untuk dibagikan.
• Kekurangan elektron ini bertindak seperti gelembung atau lubang yang dapat menerima elektron baru, bergerak ke seluruh material seperti partikel bermuatan positif.
• Itu sebabnya mereka disebut pengotor akseptor – mereka menerima elektron dari atom yang berdekatan.

Jika semikonduktor tipe-p dihubungkan ke semikonduktor tipe-n dengan cara yang sesuai, daerah kontaknya disebut sambungan pn. Sambungan pn semikonduktor digunakan di berbagai perangkat listrik, seperti transistor, elektronik, LED, dan sel surya.

Pergerakan lubang dan elektron masing-masing menghasilkan muatan negatif dan positif. Keberadaan muatan listrik yang tidak berpasangan ini menghasilkan medan listrik di dalam sambungan tersebut. Daerah penipisan adalah daerah yang mencakup partikel-partikel bermuatan ini (serta jumlah minimal elektron atau lubang bergerak).

Konsentrasi pembawa secara langsung mempengaruhi konduktivitas dan sifat lainnya dengan menentukan berapa banyak kelebihan elektron atau lubang yang tersedia. Doping ringan dan berat menghasilkan semikonduktor yang sangat berbeda:

• Doping Ringan - sekitar 1 pengotor per juta atom
• Perilaku semikonduktor dengan konduktivitas merdu
• Dioptimalkan untuk perangkat seperti transistor
• Doping Berat – sekitar 1% atom pengotor
• Sangat konduktif, seperti logam
• Mengaktifkan kontak konduktor dan ohmik

Ada konsekuensinya: konsentrasi doping yang lebih berat meningkatkan konduktivitas tetapi mengurangi mobilitas pembawa – seberapa cepat muatan bergerak melalui material. Menemukan tingkat doping Goldilocks memungkinkan panggilan dalam kinerja yang tepat.

• Difusi
  • Dopan diperkenalkan ke permukaan pada suhu tinggi
  • Kotoran berdifusi ke dalam wafer selama berjam-jam seperti bumbu yang meresap ke dalam steak
  • Teknik doping yang paling umum
• Implantasi Ion
  • Atom dopan terionisasi dan dipercepat ke dalam wafer
  • Dosis yang tepat ditempatkan tepat di tempat yang dibutuhkan
  • Wafer dianil kemudian untuk memasukkan ion
• Doping In-Situ
  • Pengotor ditambahkan selama pertumbuhan kristal semikonduktor
  • Konsentrasi doping yang sangat seragam
  • Mengaktifkan struktur tingkat lanjut seperti superlattice

• Konsentrasi Partikel Bermuatan Lebih Tinggi. Lebih banyak elektron atau lubang yang dapat bergerak cepat
• Konduktivitas yang Sangat Meningkat Hingga 1000x lebih baik dalam mengalirkan arus!
• Resistivitas Merdu Dalam Banyak Tingkat Besaran Dari pada dasarnya isolator hingga hampir seperti logam
• Pergeseran Tingkat Energi Fermi Menuju Pita Tipe-N menggerakkan Tingkat Fermi mendekati pita konduksi Tipe-P menggeser Fermi mendekati pita valensi

Sifat kelistrikan yang disesuaikan secara tepat yang dihasilkan oleh doping membuka jalan bagi semua perangkat semikonduktor modern:

• Dioda dan LED
  • Menggunakan sambungan pn untuk mengontrol aliran arus
  • Memancarkan cahaya berdasarkan bahan
• Transistor
  • Memperkuat sinyal
  • Beralih logika
• Sirkuit terintegrasi
  • Sistem lengkap terukirke silikon yang diolah
• Sel surya
  • Menyerap foton
  • Menciptakan pasangan elektron-lubang
• Sensor
  • Mentransmisikan sinyal lingkungan

Pada dasarnya setiap komponen semikonduktor dimulai dengan wafer silikon.

Penggambaran yang lebih detail tentang mekanisme doping dapat ditemukan dalam artikel semikonduktor.