2.1 SemikonduktorSemikonduktor adalah bahan penghantar arus listrik yang terbatas. Bahan ini bisa menghantarkan dalam jumlah tertentu atau dalam keadaan tertentu. Bahan yang termasuk jenis ini adalah germanium, silikon dan karbon. Transistor, dioda dan komponen aktif lainnya biasanya menggunakan germanium atau silikon, sedangkan untuk perangkat pasif (seperti resistor) menggunakan karbon. Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. 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 energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

ikatan atom tembaga

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. Phenomena 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" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Susunan Atom SemikonduktorBahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon.Dapatkah anda menghitung jumlah pasir dipantai.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 (0oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

struktur dua dimensi kristal Silikon

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.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 lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik.Kenyataanya demikian, mereka memang iseng sekali dan jenius.

Tipe-NMisalnya 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. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

doping atom pentavalen

Tipe-PKalau 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. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

doping atom trivalen

Teori AtomDalam dunia fisika atom, terdapat beberapa model untuk menggambarkan struktur fisik sebuah atom. Beberapa ahli yang menyodorkan model ataom antara lain adalah: Rutherford, Thompson, Bohrs dan De Broglie. Bohr membuat model dimana atom diasumsikan sebagai sebuah inti yang dikelilingi oleh elektron-elektron, (e-), (bermuatan negatif) yang mengitarinya, sebagaimana terlihat di Gambar di bawah. Inti atom terdiri dari neutron dan proton, (e+), (bermuatan positif) yang menarik elektron-elektron agar tetap pada orbit yang stabil. Model ini diinspirasikan dari miniatur sistem tata surya alam semesta ini.

Gambar Struktur atom Carbon

Setiap elektron beredar di dalam suatu lintasan dengan radius tertentu. Setiap radius memiliki lintasan yang unik dengan ikatan energi tertentu, dimana elektron tidak dapat berada diantara lintasan-lintasan tersebut. Lintasan terjauh dari inti atom disebut dengan lintasan valensi. Sehingga, elektron yang terletak pada lintasan terluar disebut dengan elektron valensi. Tipe atom akan didasari oleh jumlah elektron valensi ini. Ilustrasi sistem level energi ini digambarkan pada Gambar di bawah ini.

NUCLEUS1st Energy Level2nd Energy Level3rd Energy Level

Gambar Level Energi

Untuk berpindah dari satu lintasan ke lintasan lain yang lebih tinggi, diperlukan energi, seperti energi panas, cahaya, radiasi dan lainnya. Situasi dimana sebuah elektron berada pada level energi yang lebih tinggi dikenal dengan istilah elektron yang tereksitasi. Sebaliknya, ketika elektron berpindah dari lintasan yang tinggi ke lintasan yang lebih rendah, ia akan melepaskan energi. Gambar di bawah ini mengilustrasikan proses perpindahan elektron di level energi yang berbeda.

Elektron memerlukan energiElektron melepaskan energiElektron dalam keadaan tereksitasi

Gambar Perpindahan Elektron

Pada kondisi sebenarnya, atom-atom tersebut akan saling mengikat dalam jumlah yang banyak. Sehingga, level energi setiap atom akan saling berdekatan. Level-level energi yang saling berdekatan ini akan membentuk suatu pita, dikenal dengan pita energi (Energy Band). Secara umum, pita energi ini akan terbagi menjadi 2 (dua) daerah besar, yaitu daerah pita valensi (Valence Band) dan pita konduksi (Conduction Band). Atom-atom pada daerah pita valensi terikat sangat erat dengan inti atom, sedangkan atom-atom pada deerah pita konduksi mudah sekali terlepas dari inti atom. Setiap material memiliki jarak tertentu antara pita valensi dengan pita konduksi, dikenal dengan istilah Energy Gap. Berdasarkan Energy Gap inilah, sifat-sifat material dapat dibedakan.Material logam memiliki Energy Gap yang saling tumpang tindih (overlap), sehingga atom-atom dapat dengan sangat mudah bergerak ke daerah pita konduksi. Sehingga, material ini memiliki sifat yang sangat konduktif dan dikenal dengan bahan konduktor. Gambar 2.4 di bawah ini mengilustrasikan pita energi dan Energy Gap pada material konduktor.

Gambar Pita energi dan Energy Gap pada Material Logam

Sementara itu, material non-logam memiliki Energy Gap yang berjauhan, sehingga atom-atom sulit untuk bergerak ke daerah pita konduksi. Sehingga, material ini memiliki sifat yang sukar untuk konduksi dan dikenal dengan istilah isolator. Ilustrasi pita energi dan Energy Gap pada material isolator ditampilkan pada Gambar di bawah ini.

Gambar Pita energi dan Energy Gap pada Material Non-Logam

Pada sisi yang lain, terdapat material yang memiliki Energy Gap yang berdekatan. Oleh karena itu, pada kondisi normal atom-atom sulit untuk bergerak ke daerah pita konduksi dan bersifat isolator. Namun, dengan sedikit tambahan energi, atom-atom tersebut dapat bergerak ke daerah pita konduksi sehingga menjadi bersifat konduktor. Karena sifatnya yang demikian, material ini dikenal dengan nama bahan semikonduktor. Ilustrasi pita energi dan Energy Gap pada material semikonduktor ditampilkan pada Gambar di bawah ini. Material semikonduktor yang telah dikenal secara umum adalah Silikon.

Gambar Pita energi dan Energy Gap pada Material SemikonduktorKonduktivitas Konduktivitas listrik merupakan ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik pada ujung-ujung sebuah konduktor, muatan akan bergerak dan mengalirkan arus listrik. Konduktivitas listrik didefinisikan sebagai ratio dari rapat arus J terhadap kuat medan listrik E.J = EPada beberapa jenis bahan dimungkinkan terdapat konduktivitas listrik yang antisotropik. Lawan dari konduktivitas listrik adalah resistivitas listrik atau bisa disebut resistivitas saja, yaitu

Selain itu, konduktivitas bahan yang memiliki resistivitas dan pnjang l serta luas penampang A juga dapa didefinisikan sebagai

dengan I adalah arus dan V adalah tegangan.Konduktivitas bahan semikonduktor juga dipengaruhi oleh temperatur secara karakteristik. Berdasarkan rentang temperature, konduktivitas dapat dibedakan sebagai berikut.1. Konduktivitas Ekstrinsik (Rentang I, temperature rendah)Pada temperature rendah, yang terjadi adalah konduktivitas ekstrinsik. Pada rentang ini kenaikan temperature menyebabkan pembawa muatan dari impurity teraktivasi.2. Deplesi Impurity (Rentang II, temperature medium)Pada rentang ini, kenaikan temperature tidak lagi menghasilkan aktivasi impurity dan konduktivitas konstan.3. Konduktivitas Intrinsik (Rentang III, temperature tinggi)Pada temperature tinggi, pembawa muatan intrinsik mendominasi proses konduksi. Pada rentang ini tambahan pembawa muatan diperoleh dari hasil eksitasi termal dari pita valensi ke pita konduksi. Ketergantungan terhadap temperature dalam kasus ini dinyatakan dalam fungsi eksponensial =0eEg/(2kT)dengan Eg adalah energy gap, k adalah konstanta Boltzman, T adalah temperature absolute. Dengan menukur konduktivitas sebagai fungsi temperature, energy gap germanium dapat ditentukan.