Apa itu semikonduktor?

Zat yang menghantarkan listrik dikenal sebagai konduktor, sedangkan zat yang tidak dikenal sebagai isolator. Semikonduktor memiliki sifat unik yang berlaku untuk keduanya, yang berarti bahwa dalam kondisi tertentu mereka dapat menghantarkan listrik dan dalam kondisi lain, mereka dapat menolaknya. Klasifikasi unik ini menjadikan semikonduktor ideal untuk berbagai teknologi seperti chip komputer, chip kecerdasan buatan (AI), dan perangkat Internet of Things (IoT) yang bergantung pada penghantaran daya dalam jumlah besar melalui area kecil. 

Pada sebagian besar teknologi modern, semikonduktor bertindak seperti sakelar listrik kecil, mematikan dan menghidupkan berulang kali untuk memungkinkan aliran listrik. Konduktansi semikonduktor—mudah atau sulitnya arus listrik mengalir melaluinya—bervariasi, tergantung pada arus dan tegangan.

Semikonduktor digunakan secara luas di berbagai industri, termasuk komputer pribadi (PC), elektronik rumah tangga, otomotif, manufaktur industri, dan banyak lagi. Menurut laporan terbaru dari Semiconductor Industry Association (SIA), penjualan semikonduktor telah meningkat dari USD 139 miliar pada tahun 2001 menjadi USD 526 miliar pada tahun 2023. Pertumbuhan ini menunjukkan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 6%.¹

Tingkat inovasi industri semikonduktor yang cepat sebagian besar dapat dikaitkan dengan hukum Moore — aturan bahwa kecepatan dan kemampuan komputer berlipat ganda setiap dua tahun. Dalam industri semikonduktor, hukum Moore berlaku untuk jumlah transistor yang harus dimiliki oleh sebuah microchip untuk memenuhi permintaan perangkat komputasi yang terus meningkat. Produsen terkemuka terus mencari cara untuk menggandakan jumlah transistor setiap dua tahun sekali, untuk memastikan kemajuan dalam teknologi semikonduktor.

Sebagian besar semikonduktor terbuat dari kristal karena sifat atomnya yang unik. Sedangkan elemen konduktor yang paling umum memiliki satu elektron di kulit terluarnya, semikonduktor memiliki empat. Hal ini, dan faktor lainnya, membuat kristal semikonduktor (biasanya silikon) sempurna untuk mengendalikan arus listrik yang mendukung perangkat teknologi modern yang kompleks.

Untuk mengontrol aliran listrik melalui sirkuit dan perangkat elektronik, para insinyur memanipulasi aliran elektron melalui semikonduktor dengan menciptakan daerah dengan muatan positif dan negatif, sebuah proses yang dikenal sebagai doping.

Dalam produksi semikonduktor, doping adalah proses di mana pengotor, juga dikenal sebagai atom pengotor, secara sengaja dimasukkan ke dalam kisi kristal semikonduktor untuk memodifikasi sifat kelistrikannya. Dengan memperkenalkan atom zat pengotor, para insinyur dapat membuat material lebih atau kurang konduktif. Ada dua jenis doping: tipe-N dan tipe-P.

• Doping tipe-N: Doping tipe-N adalah di mana para insinyur menambahkan elemen dengan lebih banyak elektron valensi daripada bahan induk. Perubahan ini meningkatkan jumlah pembawa muatan bebas dalam atom, membuat bahan semikonduktor lebih konduktif daripada sebelumnya.

• Doping tipe-P: Doping tipe-P juga membuat bahan lebih konduktif, tetapi dengan menggunakan metode yang sedikit berbeda. Pada doping tipe-P, elemen dengan elektron valensi lebih sedikit dari bahan induk ditambahkan, menciptakan apa yang dikenal dalam ilmu komputer sebagai "lubang": tempat yang kehilangan elektron yang biasanya membawa muatan dan meningkatkan konduktivitas.

Semikonduktor biasanya diklasifikasikan menjadi dua jenis utama: intrinsik dan ekstrinsik. Berikut adalah pandangan lebih dekat tentang perbedaan mereka.

• Semikonduktor intrinsik: Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang terbuat dari satu bahan murni yang belum dimanipulasi dengan cara apa pun. Semikonduktor intrinsik sering disebut semikonduktor 'unsur', karena banyak di antaranya merupakan unsur yang terkenal di tabel periodik, seperti karbon, boron, silikon, dan germanium.

• Semikonduktor ekstrinsik: Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah mengalami doping, kontaminasi yang disengaja untuk mengubah konduktivitas material. Semikonduktor frekuensi radio (RF), misalnya, dianggap ekstrinsik karena menggabungkan bahan seperti gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), dan silikon (Si) yang membuat semikonduktor bekerja pada frekuensi radio yang lebih tinggi.

Perangkat semikonduktor adalah komponen elektronik yang menggunakan konduktor dan isolator untuk mengontrol aliran arus listrik. Jenis perangkat semikonduktor yang paling populer adalah transistor yang banyak digunakan, sebuah komponen kecil, tahan lama, yang menggerakkan sebagian besar elektronik modern.

Sampai transistor ditemukan pada tahun 1947, tabung vakum banyak digunakan untuk tujuan yang sama. Transistor terbukti lebih kompak dan efisien daripada tabung vakum dan dengan cepat menggantikannya. Saat ini, transistor digunakan di berbagai perangkat, termasuk chip komputer, prosesor mikro, mobil, perangkat robot, dan banyak lagi. Transistor sangat fleksibel; selain bertindak sebagai konduktor dan isolator, transistor juga dapat bertindak sebagai sakelar, penguat, dan penyearah.

• Sakelar: Komponen dalam perangkat semikonduktor yang dinyalakan atau dimatikan untuk mengontrol aliran arus listrik.

• Penguat sinyal: Rangkaian yang meningkatkan besaran sinyal input dalam perangkat elektronik.

• Penyearah: Penyearah, atau dioda penyearah, adalah perangkat semikonduktor kecil yang mengubah arus listrik dari arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC) dengan memungkinkan listrik mengalir dalam satu arah.

Semikonduktor diproduksi di pabrik pengecoran, yang merupakan perusahaan dengan spesialisasi tinggi yang berfokus secara eksklusif pada pembuatan semikonduktor, dan menyerahkan desain dan distribusi kepada pihak lain. Karena berbagai faktor, sebagian besar pengecoran di dunia berada di Taiwan.

Saat ini, 60% chip semikonduktor dunia dan lebih dari 90% chip canggih dibuat di pulau Taiwan yang relatif kecil.² Tenaga kerja Taiwan yang sangat terampil, penemuan model pengecoran untuk membuat semikonduktor, dan faktor lain telah menyebabkan dominasi nyaris total pasar semikonduktor.

Mungkin pengecoran yang paling terkenal di dunia adalah Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), didirikan pada tahun 1987, yang memproduksi chip tercanggih di dunia untuk pelanggan seperti Apple dan NVIDIA. 

Saat ini, dominasi TSMC di pasar semikonduktor telah menjadikannya bagian penting dari rantai pasokan global untuk semikonduktor. Akibatnya, Taiwan telah menjadi titik fokus geopolitik dalam strategi kebijakan luar negeri negara-negara besar seperti Tiongkok dan Amerika Serikat.

Semikonduktor dibuat melalui proses ketat yang dikenal sebagai fabrikasi wafer, atau fab wafer, yang dimulai dengan mengiris bahan semikonduktor menjadi segmen tipis. Wafer silikon adalah wafer yang paling umum, tetapi juga terbuat dari gallium arsenide, silikon karbida, germanium, dan banyak lagi.

Setelah dibuat, wafer dipoles dan digiling melalui serangkaian mesin yang berbeda dan sangat khusus dan sirkuit terpadu (IC) dipasang pada permukaannya melalui empat langkah yang sangat rumit.

• Langkah 1. Oksidasi: Sebelum IC dapat dipasang, wafer harus dibersihkan terlebih dahulu dengan air deionisasi yang sangat murni. Beberapa jenis wafer, khususnya wafer silikon, dipanaskan selama langkah ini dan terpapar oksigen murni, metode yang dikenal sebagai oksidasi termal.

• Langkah 2. Penutupan: Selama bagian masking dari pembuatan semikonduktor, photomasks—stensil yang sangat presisi—digunakan untuk membuat pola pada wafer, sebuah tugas yang dikenal sebagai fotolitografi. Setiap mask sangat penting dalam mendefinisikan sirkuit semikonduktor dan seberapa efektif ia beroperasi sebagai IC.

• Langkah 3. Etsa: Pada bagian etsa dari proses pembuatan, bahan yang tidak perlu dihilangkan dari wafer untuk memberikan pola atau bentuk yang disengaja. Seperti halnya masking, etsa penting untuk pembentukan IC dan jenis perangkat lain dengan tujuan tertentu yang harus dilekatkan pada permukaan wafer.

• Langkah 4. Doping: Terakhir, bahan semikonduktor ekstrinsik dibuat dengan menambahkan pengotor pada struktur kristalnya untuk mengubah sifat kelistrikannya. Senyawa yang digunakan selama langkah ini termasuk galium arsenida, indium antimonide dan berbagai jenis oksida.

Dalam 75 tahun terakhir, semikonduktor telah menjadi dasar bagi banyak teknologi modern. Sejak masa awal komputasi melalui penyebaran Internet, media sosial, teknologi mobile dan AI, mereka telah memainkan peran penting dalam memungkinkan perangkat elektronik berfungsi. Berikut adalah beberapa manfaat semikonduktor yang paling penting.

Semikonduktor memungkinkan penggunaan sebagian besar perangkat elektronik modern dan oleh karena itu memiliki contoh penggunaan yang menjangkau banyak industri. Berikut adalah beberapa yang paling umum.

Semikonduktor dan perangkat semikonduktor seperti sirkuit terpadu (IC), sensor, dan chip semikonduktor digunakan secara luas di berbagai perangkat elektronik konsumen. Dari ponsel pintar dan laptop hingga peralatan rumah pintar, asisten virtual, TV, dan banyak lagi, semikonduktor mendukung perangkat teknologi yang sebagian besar konsumen bergantung pada kehidupan pribadi dan profesional mereka.

Mobil saat ini menggunakan banyak fitur yang diharapkan orang dari ponsel pintar dan PC mereka, seperti pengenalan suara, konektivitas nirkabel, dan kemampuan untuk melakukan streaming berbagai jenis media. Chip semikonduktor mendukung teknologi yang digunakan mobil untuk memungkinkan semua fitur ini, memungkinkan penumpang mengakses internet, memiliki pesan suara dan pesan teks yang dibacakan dengan lantang kepada mereka, menerima petunjuk arah, dan banyak lagi.

Semikonduktor dan chip semikonduktor telah menjadi aspek penting dalam bidang medis, penting untuk operasi berbagai perangkat dan aplikasi medis. Semikonduktor memberi daya pada perangkat yang memungkinkan pencitraan medis, diagnostik, pemantauan pasien, dan banyak lagi, memungkinkan data penting yang membantu meningkatkan perawatan dan hasil pasien ditransmisikan nyaris seketika.

Manufaktur cerdas, dikenal juga sebagai Industri 4.0, adalah integrasi teknologi digital baru seperti Internet of Things (IoT), AI, dan komputasi cloud ke dalam proses manufaktur. Dalam manufaktur pintar, semikonduktor dan chip semikonduktor memberi daya pada sensor canggih, perangkat lunak tertanam, dan robotika yang mengumpulkan dan menganalisis data dalam pengaturan pabrik, sehingga membantu merampingkan proses yang sudah ketinggalan zaman dan tidak efisien.