SEMIKONDUKTOR

A. Prinsip Dasar

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada

di antara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena

bahan ini memang bukan konduktor murni. Sebuah semikonduktor akan bersifat

sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur

ruang akan bersifat sebagai konduktor.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti

dioda, transistor, dan sebuah IC (integrated circuit). Bahan-bahan logam seperti

tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam

memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat

bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki

inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati

orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan

energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini.

Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke 29, berada pada orbit paling luar.

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita

ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya

jauh dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan sedikit energi

saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

Gambar 1. Ikatan logam Cu

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-

pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial

listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial

yang sama. Fenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah

atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah dan dibutuhkan energi

yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini.

Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya

memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling

semikonduktor unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

B. Susunan Atom Semikonduktor

Silikon dan germanium adalah bahan yang biasanya dipakai sebagai

bahan semi konduktor. Kedua bahan tersebut terdapat dalam kolom ke empat

dari sistem periodik unsur-unsur kimia. Pada material ini, lapisan terluar

elektron-elektron yang sering juga disebut lapisan valensi (menurut model atom

Bohr), terdiri dari empat elektron yang memungkinkan suatu hablur atau kristal

murni untuk membentuk ikatan-ikatan kovalen yang kuat.

Gambar 2. Tabel bahan semikonduktor

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing

memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi

oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk

ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah

(0 K) struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut

Gambar 3. Struktur dua dimensi kristal silikon

Ikatan kovalen yang terjadi adalah sangat kuat sekali, sehingga akan

diperlukan energi yang cukup besar untuk membebaskan sebuah elektron dari

ikatannya. Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari

satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan

semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah

untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen

yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari

ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga

tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Untuk mempersiapkan bahan semi konduktor murni, misalnya digunakan

sebagai transistor atau penyearah (rectifier), perlu dilakukan rekayasa

(engineering) sehingga  energi dari elektron-elektron pada lapisan valensi

bertambah. Hal ini dapat dilakukan dengan suatu proses yang biasanya disebut

doping, dimana bahan semi konduktor dicampur dengan bahan lain.

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu

mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping

dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah yang

lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.

C. Macam-Macam Bahan Semi Konduktor

1. Semi Konduktor  Intrinsik (Bahan Semi Konduktor Murni)

Jenis bahan semi konduktor intrinsik umumnya mempunyai valensi empat

dan ikatan dalam kristalnya adalah ikatan kovalen, hal ini dapat dimengerti

karena elektron valensi pada kulit terluar dipakai bersama-sama. Contoh yang

sering digunakan adalah silikon yang mempunyai valensi empat dan ikatan

dalam kristalnya adalah ikatan kovalen . Dapat dilihat pada gambar 4 dibawah

ini ikatan kovalen pada silikon.

Gambar 4: Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah

sebesar 1,1eV untuk silikon. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron

mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan

tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarnya

energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita

konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen

terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana

terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang

ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan

inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor

murni. Jika elektron valensi dari katan kovalen yang lain mengisi lubang

tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah

sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.

Gambar 5: Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan

kovalen yang terputus

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat

dituliskansebagai berikut:

“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel

masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang

berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrik”Akibat adanya dua pembawa

muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:

Konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara

serentak, maka pada semikonduktor murni,

Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan

hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita

valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi

yang dibutuhkan untuk membentuk elektron – hole sebagai pembawa muatan.

Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.

                                               Gambar 6: Celah energi

Sifat-sifat semi konduktor intrinsik:

Jumlah elektron bebas sama dengan hole

Hantaran arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole

Arah pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E

dan berlawanan arah dengan pergerakan elektron

Umur rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur

rata-rata dari sepasang elektron-hole (electron-hole pair) adalah

jumlah waktu saat tertutupnya pasangan elektron-hole sampai

bertemunya elektron bebas dengan hole. Adapun yang mengisi

hole pada umumnya adalah elektron yang terikat dilapisan sebelah

bawahnya.

2. Semi konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni)

Jenis bahan semi konduktor ekstrinsik didapat dengan jalan mengadakan

doping antara bahan semi konduktor intrinsik dengan bahan yang valensinya

berada dibawah atau di atas bahan intrinsik tersebut.

Gambar 7. Elemen semikonduktor dan dopingnya

Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi konduktor ekstrinsik, yaitu :

o N-type semi konduktor

o P-type semi konduktor

Semikonduktor tipe-N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang

pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi.

Dengan doping, silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan

memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor

tipe-n.

Doping atom pentavalen

Pendopingan dapat dilakukan melalui proses pemanasan, sehingga akan

terjadi penyesuaian diri dari dua macam atom yang berbeda valensinya dalam

membentuk suatu molekul/kristal. Atom yang menyebabkan terjadinya elektron

bebas dalam satu susunan kristal atom disebut atom donor, dan jenis bahan

macam ini dinamakan N-type semi konduktor.

Di dalam tubuh N-type semi konduktor dapat diperoleh dua pembawa

muatan yaitu :

1.      Elektron sebagai majority carrier

2.      Hole sebagai minority carrier

Dengan adanya kelebihan elektron, maka akan memberikan level energi baru

dimana elektron akan mudah ber-eksitasi ke pita valensi. Jadi pada N-type semi

konduktor akan terjadi level energi baru yang disebut energy level donor (Ed),

dimana pada level ini berisi penuh dengan elektron, sehingga apabila ada

elektron berpindah ke pita valensi, maka elekatron ini akan meninggalkan

muatan positif pada level donor. Akibatnya pada atom bervalensi 5 terkumpul

muatan positif

Semikonduktor tipe-p

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium, atau Indium, maka akan

didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan

dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3

elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan

demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai

akseptor yang siap menerima elektron.

Doping atom trivalen

Dengan adanya hole (kekurangan elektron), maka hole ini akan menarik

elektron dari atom yang berdekatan dan selanjutnya atom yang telah  kehilangan

elektron tersebut akan menjadi lubang. Dengan demikian maka hole dapat

berganti-ganti, seakan-akan merupakan muatan listrik positif yang sedang

bergerak.

Atom yang menyebabkan timbulnya hole dalam susunan kristal disebut atom

acceptor. Ada dua pembawa muatan pada P-type semi konduktor , yaitu:

1.      Hole sebagai majority carrier

2.      Elektron sebagai minority carrier

Dengan prinsip energi level band, keterangan diatas dapat dijelaskan

sebagai berikut:

Dengan adanya kekurangan elektron, maka akan memerlukan suatu energi baru

dimana elektron yang terdapat pada pita valensi akan berpindah ke energy level

band yang baru tersebut. Level yang kosong tersebut dinamakan energy level

acceptor (Ea).