Pendahuluan (Transistor)

Solid-state transistor (biasanya hanya disebut transistor) pertama kali ditemukan oleh Shockley, Bardeen, dan Brattain, ketiganya ilmuwan Bell Laboratories di Amerika Serikat, pada tahun 1948. Tidaklah berlebihan untuk mengatakan bahwa transistor merupakan salah satu penemuan terpenting di abad ke-20 sejajar dengan penemuan struktur DNA dan teknologi internet.
Kemajuan di bidang teknologi pengolahan bahan (material processing) selalu diiringi oleh makin canggihnya (makin kompak, cepat, rendahnya konsumsi daya listrik) mikroprocessor, yang merupakan otak dari komputer. Sebagai contoh, dalam chip Pentium tahun 1993 dapat ditemukan 3,1 juta transistor sedangkan Pentium M tahun 2003 mempunyai sekitar 77 juta transistor.

Pada umumnya, solid-state transistor yang digunakan dalam rangkaian elektronika terbuat dari bahan semikonduktor, terutama silikon. Selain dipakai untuk fungsi-fungsi elektronik, bahan semikonduktor, terutama jenis senyawa golongan III dan V (compound semiconductor), juga dapat dipakai untuk membuat piranti solid-state yang mengeluarkan cahaya seperti laser dan LED (Light Emitting Diode). Bersama dengan silikon, semikonduktor yang terbuat dari unsur-unsur golongan III-V juga merupakan salah satu teknologi kunci di bidang teknologi informasi belakangan ini.

Keunikan semikonduktor dibanding bahan lainnya ialah semikonduktor bisa diubah konduktivitasnya (konduktivitas adalah kemampuan bahan untuk membawa arus listrik) dengan cara sengaja memasukkan elemen lain ke dalam kristal semikonduktor. Teknik ini disebut doping. Kristal silikon yang 100% murni mempunyai muatan yang netral karena semua elektron valensi dari silikon (keseluruhannya ada 4 buah) berpasangan dengan elektron valensi atom silikon lainnya. Oleh karena kristal silikon murni mempunyai muatan netral, maka supaya dapat memiliki muatan atau menghantarkan arus listrik, kristal silikon harus dibuat tidak murni dengan cara memasukkan atom-atom dari elemen lainnya. Bila di-doping dengan atom golongan III seperti boron, kristal silikon mempunyai total muatan yang positif dan jika di-doping oleh atom golongan V seperti fosfor, maka total muatannya negatif. Kristal silikon yang total muatannya positif disebut tipe p, dan yang negatif disebut tipe n.

Orbital valensi kristal silikon tipe N

Jika potensial listrik dikenakan pada kristal silikon, arah arus listrik pada tipe n dan tipe p akan berlawanan satu sama lain. Menempatkan tipe n d an tipe p secara bersebelahan akan menghasilkan piranti yang disebut dioda, yang dapat digunakan sebagai switch elektronik. Berbeda dengan dioda yang mempunyai 2 buah terminal (p dan n), transistor mempunyai 3 buah (n-p-n atau p-n-p) dan dapat digunakan sebagai switch (seperti tombol on/off) atau sebagai amplifier arus listrik (seumpama volume control pada radio). Saat ini sebagian besar transistor yang terdapat dalam rangkaian digital, seperti mikroprocessor di dalam PC, merupakan transistor jenis MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) yang terbuat dari perunggu (metal), silikon dioksida (oxide) dan silikon (semiconductor) yang telah di-dope. Dalam pembuatan integrated circuit (IC), pertama-tama perancang chip mendesain rangkaian berdasarkan spesifikasi yang telah ditentukan. Desain ini biasanya dilakukan dengan bantuan komputer. Kemudian desain akan dikirim ke pabrik IC, di mana IC akan di-fabrikasi di dalam suatu ruangan bersih (clean room) yang jumlah partikel udaranya telah dikontrol melalui filter. Akhirnya IC yang telah jadi akan di-package dalam kemasan yang kita kenal sebelum dipasang di atas papan rangkaian.

Bagian Dalam Chip Pentium III ( 28 juta transistor )

Selain silikon, senyawa semikonduktor seperti GaAs juga digunakan dalam pembuatan LED atau dioda laser. Terobosan di bidang material engineering akhir-akhir ini telah menghasilkan LED warna biru menggunakan senyawa GaN, setelah dimungkinkannya untuk men-dope GaN tipe p. Dengan penemuan ini, sekarang LED telah tersedia dalam berbagai warna, dari biru (senyawa GaN) sampai merah (senyawa InGaAlP). Di Jepang, dalam sepuluh tahun ke depan rambu-rambu lalu lintas direncanakan akan diganti dari lampu biasa menjadi LED. Dibanding lampu biasa, LED mempunyai daya tahan lebih, konsumsi daya yang lebih rendah, dan intensitas cahaya yang lebih terang sehingga cocok untuk aplikasi seperti rambu lalu lintas. Disamping LE D, laser dioda digunakan dalam sistem transmisi serat optik. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan bandwidth internet, sistem serat optik diperkirakan akan menjadi infrastruktur tulang punggung dalam teknologi IT masa depan.

Dari contoh-contoh di atas, kita bisa melihat bagaimana piranti solid-state dapat dipakai untuk meningkatkan kualitas hidup kita sehari-hari.

Kemajuan di bidang nanoteknologi belakangan ini telah memungkinkan para ilmuwan untuk mengontrol bahan secara super akurat dalam skala nanometer. Tahun lalu, ilmuwan dari Universitas Cornell di AS berhasil membuat single-atom transistor (transistor atom tunggal), yang dibuat oleh ahli kimia bersama dengan insinyur material setempat. Apabila tegangan listrik dikenakan ke transistor tersebut, elektron mengalir di antara elektroda melalui atom kobalt (pada gambar berwarna biru tua, tengah) yang disanggah oleh molekul pyridine (biru muda). Di masa depan terobosan-terobosan di bidang nanoteknologi seperti ini akan dapat menghasilkan aplikasi-aplikasi baru.