I. DIFUSIDifusi adalah peristiwa berpindahnya partikel dari
daerah dengan konsentrasi yang tinggi menuju daerah dengan
konsentrasi yang rendah. Perbedaan konsentrasi ini disebabkan oleh
penyebaran doping yang tidak homogen dan menyuntikkan sejumlah
electron atau hole ke suatu daerah. Ada beberapa faktor yang
memengaruhi kecepatan difusi, yaitu: Ukuran partikel. Semakin kecil
ukuran partikel, semakin cepat partikel itu akan bergerak, sehingga
kecepatan difusi semakin tinggi. Ketebalan membran.Semakin tebal
membran, semakin lambat kecepatan difusi. Luas suatu area. Semakin
besar luas area, semakin cepat kecepatan difusinya. Jarak. Semakin
besar jarak antara dua konsentrasi, semakin lambat kecepatan
difusinya. Suhu. Semakin tinggi suhu, partikel mendapatkan energi
untuk bergerak dengan lebih cepat. Maka, semakin cepat pula
kecepatan difusinya.
Gambar .Arus DifusiBerdasarkan Gambar diatas dapat diketahui
bahwapenyebaran electron tidak merata. Pada sisi yang sebelah kanan
terdapat banyak electron sedangkan pada sisi yang lain hanya
sedikit electron. Hal ini akan menyebabkan electron pada sisi yang
rapat akan berpindah ke sisi lain yang kuran padat. Perpindahan
inilah nantinya yang dpat menyebabkan arus difusi. Selain
disebabkan oleh perpindaha electron arus difusi juga disebabkan
perpindahan hole.
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,n : konstanta mobilitas elektron (cm2/V-s)
Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai n 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 : konsentrasi electrone : 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,p : konstanta mobilitas elektron (cm2/V-s)
Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai p 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 : konsentrasi hole e : besar (magnitude) muatan
listriknya
Arus drift konvensional akan searah dengan aliran muatan
positif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor 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,: konduktifitas dari semikonduktor =1/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 DifusiPada 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 elektron 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 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 berikut
Dimana,e : besar (magnitude) muatan electrondn/dx: gradien
konsentrasi electronDn : 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 : besar (magnitude) dari muatandp/dx : gradien
konsentrasi holeDp :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.
Sambungan Tipe n dan Tipe p
Hubungan pn dapat terjadi dengan mendifusikan impuritas tipe-p
pada salah satu ujung Kristal tipe-n. Walaupun ada hubungan antara
dua tipe silicon namun secara keseluruhan bertindak sebagai kisi
Kristal tunggal. Akibatnya electron bebas dari tipe-n akan bergerak
menuju hole pada tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke
electron di tipe-n sehingga terjadi rekombinasi. Selanjutnya akan
terjadi lapisan deplesi.
Setelah hubungan PN terbentuk, hole dari tipe-p konsentrasinya
lebih besar dari hole tipe-n, sehingga hole akan berdifusi,
demikian pula pada electron juga akan berdifusi, demikian pula pada
electron juga akan berdifusi dan ber-rekombinasi. Namun proses ini
tidak terjadi terus menerus dan akan berhenti jika terjadi
kesetimbangan antara arus drift dan difusi.
Arah arus difusi dan drift pada sambungan PN
II. OKSIDASIOksidasi adalah proses pembentukan lapisan SiO2 pada
permukaan wafer silikon. Silikon dioksida merupakan bahan isolasi
yang digunakan dalam microtechnology. Teknik yang paling umum
digunakan untuk menghasilkan lapisan oksida menggunakan oksidasi
termal dilakukan dalam tungku
Salah satu alasan utama mengapa silikon paling banyak dipilih
sebagai bahan semi-konduktor adalah karena silikon menawarkan
berbagai kemudahan, antara lain kemudahan untuk membentuk lapisan
insulator berkualitas tinggi di atas permukaannya melalui proses
oksidasi. Yaitu terjadinya reaksi kimia antara silikon dengan
oksigen atau uap air pada temperatur antara 1000oC - 1200oC
sehingga membentuk lapisan film Silicon Dioxide (SiO2) pada
permukaan wafer. SiO2 bersifat stabil pada temperatur tinggi dan
merupakan salah satu bahan insulator terbaik.
Metode oksidasi dibedakan menjadi 2 yaitu,a. Oksidasi basah (Wet
Oxidation)Dilakukan dengan mengalirkan gas oksigen murni kedalam
bubbler berisi DIH2O yang didihkan, kemudian uap airnya dialirkan
kedalam tungku yang berisi wafer yang akan dioksidasi. Oksidasi ini
digunakan pada oksida medan (field Oxide) untuk masker pada saat
proses difusi. Reaksi kimia yang terjadi adalah :
Si (solid) + 2H2O (liquid) SiO2 (solid) + 2H2(gas)
b. Oksidasi kering (Dry Oxidation)Dilakukan dengan mengalirkan
gas O2 murni dan kering kedalam tungku oksidasi yang berisi wafer.
Pertumbuhan oksida lambat, tetapi kualitas dielektriknya baik.
Reaksi kimia yang terjadi adalah :Si(solid) + O2(gas)
SiO2(solid)
Gambar. Bagian dalam tungku oksidasi
Langkah- langkah melakukan oksidasi adalah:1. Menghidupkan
furnace dan mulai memamanaskan.2. Mengatur suhu tungku sampai 10000
C pada pengontrol suhu3. Ketika set point suhu telah tercapai,
menempatkan wafer ke dalam quartz boat dan beban ke dalam tabung
dengan memanfaatkan loader tungku (kecepatan loading 30 cm / s2)4.
Selam proses pemanasan, oksigen asli atau nitrogen atau hydrogen
dialirkan kedalam tabung. Untuk memulai proses, menempatkan aliran
gas melalui water bubbler- ini adalah di mana saturasi gas dengan
uap air terjadi5. Setelah 1 jam, keluarkan wafer dari tungku. Dan
diamlan wafer 10 minute untuk didinginkan.
Untuk mengukur ketebalan dari lapisan tipis hasil proses
oksidasi dapat menggunakan alat yang disebut ellipsometer. Cara
kerja alat ini adalah mempolarisasi secara elips sinar laser
kemudian memantulkannya ke obyek yang dicari ketebalannya seperti
wafer yang sudah dilapisi oleh endapan SiO2. Pantulan dari cahaya
terpolarisasi ini diukur intensitasnya dengan CCD.Ketelitian dari
ellipsometer sangat tinggi, dapat mencapai tingkat micro, bahkan
sampai nanometer.
