1
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
a) Jelaskan bagaimana sejarah perkembangan material semikonduktor sejak awal abad 19 sampai saat ini ? 1940 – PN junction Russel Ohl at Bell Labs develops the PN junction that produces 0.5 volts when exposed to light. 1945 – Transistor invented [1],[2],[3],[4] In 1945, Bell Labs established a group to develop a semiconductor replacement for the vacuumtube. The group led by William Shockley, included, John Bardeen, Walter Brattain and others. In1947 Bardeen and Brattain succeeded in creating an amplifying circuit utilizing a point- contact“transfer resistance” device that later became known as a transistor. Bardeen and Brattain’sdevice was thePoint thePoint Contact Transistor the Transistor the first transistor. In 1948, Bardeen and Brattain filedfor a patent, that in 1950 was issued to Bell Labs – U.S. patent # 2,524,035, “Three ElectrodeCircuit Element Utilizing Semiconductive Materials”. 1951 – Junction Transistor invented [1],[2],[3],[4] In 1951, William Shockley developed the junction the junction transistor, transistor, a more practical form of thetransistor, the point contact transistor was difficult to produce and was replaced by the junctiontransistor by the mid fifties. By 1954 the transistor was an essential component of the telephonesystem. Bell labs also licensed the transistor to other companies (for a royalty) and the transistorfirst appeared in hearing aids followed by radios. In 1956 the importance of the invention of thetransistor by Bardeen, Brattain and Shockley was recognized by the Nobel Prize in physics. 1952 – Single crystal silicon is fabricated [5] 1952 – Integrated Circuit concept published English radar scientist Geoffrey W.A. Dummer publishes the concept of the integrated circuit inWashington D.C. on May 7, 1952. “Solid block [with] layers of insulating materials”. In 1956Dummer unsuccessfully attemped to build an integrated circuit. 1954 – First commercial silicon transistor [1] On May 10, 1954, Texas Instruments announced the commercial availability of grown-junctionsilicon transistors. These first silicon transistors were constructed by cutting a rectangular barfrom a silicon crystal that was grown from a melt containing impurities. Silicon transistors wereless expensive to produce and operated at higher temperature than germanium transistors. 1954 – Oxide masking process developed [5] Bell Labs developed the oxidation, photomasking, etching, diffusion process that underlies ICproduction to this day 1954 – First Transistor Radios [23] Industrial Development Engineer Associates produced the Regency TR-1, the worlds firstcommercially marketed transistor radio. The radio had a four transistor circuit employing TexasInstruments Germanium transistors. 1955 – First field effect transistor Bell Labs fabricated the first field effect transistor. 1958 – Integrated circuit invented [1],[6] In July of 1958, Jack Kilby was a recent hire at Texas Instruments. Not having accrued enoughvacation time yet, Kilby was at work at TI during a summer vacation period that most everyoneelse had off. On July 24, 1958 in the quiet of the miniaturization lab, Kilby wrote in his labnotebook that circuit elements such as resistors, capacitors, distributed capacitors and transistors,if all made of the same material, could be included in a single chip. By September 12th 1958Kilby had built asimple a simple oscillator IC with IC with five integrated components. In 1959 Kilby applied fora patent and Texas Instruments was issued U.S. patent #3,138,743 # 3,138,743 for for “Miniaturized electroniccircuits”. In 2000 the importance of the IC was recognized when Kilby shared the Nobel prize inphysics with two others. Kilby was sited by the Nobel committee “for his part in the invention ofthe integrated circuit”. 1959 – Planar technology invented [1] Kilby’s invention had a serious drawback, the individual circuit elements were connectedtogether with gold wires making the circuit difficult to scale up to any complexity. By late 1958Swiss-born physicist – Jean Hoerni at Fairchild had developed a structure with N and P junctionsformed in silicon. Over the junctions a thin layer of silicon dioxide was used as an insulator andholes were etched open in the silicon dioxide to connect to the junctions. Czechborn physicist –Kurt Lehovec of Sprague Electric developed the technque of using PN junctions to electricallyisolate components. In 1959, Robert Noyce also of Fairchild had the idea to create an integratedcircuit by combing Hoerni’s and Lehovec’s processes and evaporating a thin metal layer over thecircuits. The metal layer connected down to the junctions through the holes in the silicon dioxideand was then etched into a pattern to interconnect the
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
circuit.Planar circuit.Planar technology set technology set the stage forcomplex integrated circuits and is the process used todayof roughly a factor of two per year”. This observation became known as Moore’s law, thenumber of components per IC double every year. Moore’s law was later amended to, the numberof components per IC doubles every 18 months. Moore’s law hold to this day. 1965 – 100-bit shift register [8] 100-bit shift register with 600 transistors – GME, 21-bit static shift register with 160 transistors –GI, binary-to-digital decoder with 150 transistors – TI.1966 – Self Aligned Gate MOSFETBower and Dill disclose the self aligned gate MOSFET (SAGFET) in a paper entitled“Insulated Gate Field Effect Transistors Fabricated Using the Gate as SourceDrain Mask” [25],presented at the 1966 IEDM. The self aligned transitor was first concieved by Bower in 1965[26]. The slef aligned transistor is the building block of all modern MOSFET technologies. 1966 – 16-bit bipolar memory [1] IBM introduced a 16-bit bipolar memory chip in a System/360 Model 95 they developed forNASA. 1966 – First bipolar logic [5] Motorola Emitter-Coupled-Logic (ECL) 3 input gate. 1966 – Single transistor DRAM cellinvented [1] Dr. Robert Dennard at IBM attended a talk on work in thin film magnetic memory. The magneticmemory team used “a piece of magnetic material and a couple of lines passing near it’ to store abit of information. Several months later Dennard developed the idea that a bit could be stored bycharging or discharging a c apacitor and a single FET could be used to control the process. Thesingle transistor DRAM cell. Virtually all modern DRAMs are based on the 1 transistor cell. 1966 – 1.5 inch silicon wafers introduced [24] 1967 – Floating gate disclosed Kahng and Sze of Bell labs disclosed the use of floating gate devices for memory applications inthe Bell System Technical Journal. Floating gates a very common technique used to makeEEPROMs. 1967 – MNOS disclosed Wegener, Lincoln, Pao, O’Connell and Oleksiak disclosed the NMOS transistor and it’s use inmemory. Floating gates are a technique used to make EEPROMs. 1968 – 64-bit bipolar arraychip [1]
b) Jelaskan bagaimana fungsi dan peranan unsur golongan kolom III, IV dan V dari tabel periodic kimia dalam pembentukan devais mikroelektronika?
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
2. MEkanisme transportasi pembawa muatan pada bahan semikonduktor disebabkan oleh arus drift dan arus difusi, jelaskan! Arus Drift
Bayangkan sebuah medan listrik diberikan pada suatu semikonduktor. Medan listrik ini akan menghasilkan gaya yang bekerja baik pada elektron bebas ataupun hole, yang lalu akan mengalami pergerakan dan kecepatan drift. Perhatikan sebuah semikonduktor tipe-n dengan sejumlah besar elektron bebas seperti terlihat pada Gambar 1. Medan listrik E lalu diberikan pada semikonduktor ini pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada elektron – yang karena bermuatan negatif – dalam arah yang berlawanan. Elektron tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdn (dalam cm/s) yang besarnya dimana μn adalah konstanta mobilitas elektron dan diukur dalam cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped ) nilai μn ini biasanya berkisar sekitar 1350 cm^2/V-s. Mobilitas ini dapat dipandang sebagai sebuah parameter yang mengindikasikan seberapa baik sebuah elektron dapat bergerak didalam semikonduktor. Tanda negatif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift elektron berlawanan arah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri lalu akan menghasilkan kerapatan arus drift Jn (dalam A/cm^2), yang besarnya adalah dimana n adalah konsentrasi elektron, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional memiliki arah yang berlawanan dengan aliran muatan negatif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan.Selanjutnya, perhatikan sebuah semikonduktor tipe-p dengan sejumlah besar hole seperti terlihat pada Gambar 2. Medan listrik E lalu diberikan pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada hole-hole tersebut – yang karena bermuatan positif – dalam arah yang sama. Hole tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdp (dalam cm/s), yang besarnya adalah dimana μp adalah konstanta mobilitas proton dan -sekali lagi- diukur dalam satuan cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped ) nilai μp ini biasanya berkisar sekitar 480 cm^2/V -s, atau tidak sampai setengahnya dari nilai mobilitas elektron up. Tanda positif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift hole searah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri akan menghasilkan kerapatan arus drift Jp (kembali, dalam A/cm^2), yang besarnya adalah dimana p adalah konsentrasi hole, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional akan searah dengan aliran muatan positif, yang berarti arus drift pada sebuah semik onduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan. Karena sebuah material semikonduktor selalu mengandung baik elektron maupun hole, kerapatan arus drift total ditentukan sebagai jumlah dari kedua komponen arus tersebut, sehingga dan dimana σ ini sering disebut sebagai konduktifitas dari semikonduktor dan ρ=1/σ sebagai resistifitas dari semikonduktor. Konduktifitas ini berhubungan erat dengan konsentrasi elektron dan hole. Apabila medan listrik yang timbul dihasilkan akibat sebuah perbedaan potensial (tegangan), maka persamaan diatas akan menghasilkan hubungan yang linier antara arus dan tegangan, sehingga akan sesuai dengan hukum Ohm. Dari persamaan kita juga dapat melihat bahwa konduktifitas dapat diubah dari semikonduktor tipe-n yang kuat dimana n>>p dengan mendadah (doping) pengotor pemberi (donor ), ), menjadi semikonduktor tipe-p yang kuat dimana p>>n dengan mendadah (doping) pengotor penerima (acceptor ). ). Kemampuan mengendalikan konduktifitas dari sebuah semikonduktor dengan cara memilih pendadahan yang sesuai telah memberi kita kesempatan untuk menghasilkan berbagai jenis komponen elektronika yang tersedia saat ini.
Arus Difusi
Pada difusi, partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi yang tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang rendah. Ini adalah fenomena statistikal dan berhubungan dengan teori kinetik. Untuk menjelaskannya, baik e lektron maupun hole pada semikonduktor selalu berada pada pergerakan yang kontinyu. dengan kecepatan rata-rata yang ditentukan oleh suhu, dan dalam arah yang acak oleh pengaruh struktur kristal. Secara statistik, kita dapat mengasumsikan bahwa untuk setiap instan manapun, sekitar setengah dari partikel pada daerah dengan konsentrasi tinggi akan bergerak keluar dari daerah tersebut menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Kita juga dapat mengasumsikan bahwa pada saat yang bersamaan, sekitar setengah dari partikel dari daerah dengan konsentrasi rendah bergerak menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi. Bagaimanapun juga, oleh definisi, terdapat lebih sedikit partikel pada daerah dengan konsentrasi konsentrasi rendah daripada yang terdapat pada daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi, Karenanya, aliran partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Ini adalah proses difusi yang paling dasar.Sebagai contoh, perhatikan konsentrasi elektron yang bervariasi sebagai sebuah fungsi jarak x, seperti yang terlihat pada Gambar 3. Difusi elektron dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah menghasilkan aliran elektron dalam arah x negatif. Karena elektron bermuatan negatif, maka arah arus konvensionalnya akan menjadi x positif.Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi elektron dapat dinyatakan dalam persamaan berikutdimana e adalah besar (magnitude) muatan elektron, dn/dx sebagai gradien konsentrasi elektron, dan Dn adalah koefisien difusi elektron.Untuk hole, prinsip yang sama dapat digunakan. Pada Gambar 4, konsentrasi hole adalah sebuah fungsi jarak. Difusi hole dari daerah dengan koefisien tinggi ke daerah dengan koefisien yang lebih rendah akan menghasilkan aliran hole dalam arah x negatif. Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi hole dapat dinyatakan dalam persamaan berikut dimana e adalah besar
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
(magnitude) dari muatan, dp/dx sebagai gradien konsentrasi hole, dan Dp adalah koefisien difusi hole. Perlu dicatat bahwa terjadi perubahan tanda pada kedua persamaan arus difusi ini. Hal ini dikarenakan perbedaan dalam penandaan muatan listrik antara muatan negatif elektron dengan muatan positif hole. Nilai mobilitas dalam persamaan arus drift dan nilai koefisien difusi pada persamaan arus difusi bukanlah dua kuantitas yang saling bebas. Keduanya terikat pada hubungan Einstein, yakni (pada suhu kamar) Kerapatan arus total adalah hasil penjumlahan komponen drift dan difusi. Untungnya, pada banyak kasus hanya ada satu komponen yang dominan untuk setiap waktu pada daerah semikonduktor yang diberikan.
3. Perbedaan karakteristik struktur Kristal kubikal dengan fcc
Body Centered Cubic (BCC) Unit struktur BCC sesuai namanya berbentuk bentuk kubus dimana terdapat atom-atom disetiap pojoknya dan satu berada ditengah. Pada temperatur dibawah 1333OF (723OC) struktur kristal besi berupa BCC dan dinamakan besi alpha atau ferrite. Logam lain yang mempunyai struktur seperti ini, yaitu : chromium, colombium, colombium, barium, vanadium, molybdenum molybdenum dan tungsten.
Face Centered Cubic (FCC) Atom-atom kalsium, aluminium, tembaga, timbal, nickel, emas dan platina membentuk suatu struktur kristal dengan sebuah atom ditiap-tiap pojok kubus dan satu ditengah disetiap sisi kubus. Jika besi berada diatas temperatur kritis, maka susunan atomnya berbentuk FCC dan namakan besi gamma atau austenite
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
Nama : Mahmud
Nim : 062001700502
