BAHAN SEMI KONDUKTOR

adalah suatu material dengan sifat konduktivitas diantara konduktor dan isolator, contoh Silikon (Si), Ge (Germanium). Saat ini Si umumnya digunakan sebagai devais elektronik, seperti dioda, transistor, IC (integrated circuit) namun GaAs memiliki potensi yang besar untuk digunakan sebagai devais elektronika pada masa datang, terutama ditujukan untuk beroperasi pada frekuensi tinggi

Contoh Semikonduktor : Dioda LED Transistor Bipolar FET Op-Amp

Untuk menjelaskan konduktivitas bahan sering kali menggunakan konsep pita energi. Ada dua pita energi, yaitu pita valensi dan pita konduksi.

Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh elektron dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N elektron dengan N adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisi pita konduksi. Pada suhu 0 K, pita konduksi terisi sebagian untuk bahan konduktor, sedangkan untuk isolator dan semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita konduksi.

Perbedaannya terletak pada energi gap Eg yaitu selang energi antara pita konduksi minimum dan pita valensi maksimum. Pada bahan semikonduktor Eg ~ 1 eV, sedang pada isolator Eg ~ 6 eV Secara diagramatik pita energi dari isolator, semikonduktor dan konduktor ditunjukkan pada gambar berikut

1. Struktur Atom Semikonduktor Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki

sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron. Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti.

Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah silikon dan germanium

Gambar Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium

Seperti Gambar 1 atom silikon memiliki elektron yang mengelilingi inti sebanyak 14 dan germanium mempunyai 32 elektron.

Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi.

Atom silikon dan germanium masing mempunyai empat elektron valensi. Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi empat).

Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang bersebelahan.

Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi pada Gambar 2

Gambar 2. Struktur Kristal Silikon dengan Ikatan Kovalen

Teorema Pita Energi KristalDalam sistem susunan berkala unsur-unsur, atom Si

termasuk golongan IV, jadi ada 4 elektron pada orbit terluarnya. Masing-masing atom Si membentuk struktur kristal dengan atom-atom tetangganya dan elektron-elektron valensinya membentuk ikatan kovalen, sehingga masing-maing atom seolah-olah memiliki 8 elektron terluar dengan 4 elektron berasal dari miliknya sendiri sedang 4 elektron lainnya berasal dari 4 atom tetangga terdekatnya.

Susunan ini membentuk kristal silikon intrinsik dengan muatan total = 0 coulomb

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas.

Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium.

Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.

Struktur Kristal Semikonduktor (Silikon)

Bila diberi sumber DC akan ada arus listrik yaing mengalir di dalamkristal tsb. Elektron akan bergerak ke kutub positif sumber DC tsbsedangkan hole akan bergerak berlawanan arah

Mobilitas dan KonduktivitasArus listrik pada metal terjadi akibat perpindahan elektron,

sedang pada semikonduktor bergantung pada elektron dan hole. Semikonduktor dapat di-dope menjadi:

a. dominan hole menjadi tipe-p b. dominan elektron menjadi tipe-n

Hal ini berarti bahwa semikonduktor tipe-n memiliki jumlah elektron bebas lebih banyak dibandingkan dengan jumlah hole dan sebaliknya untuk tipe-p jumlah hole lebih banyak dari jumlah. Karena itu elektron pada tipe-n disebut pembawa muatan mayoritas dan hole adalah pembawa muatan minoritas, sebaliknya pada tipe-p elektron adalah pembawa muatan minoritas sedangkan hole adalah pembawa muatan mayoritas

Semikonduktor Instrinsik

Untuk memperbesar konduktivitasbahan semikonduktor itu diberi doping, akibatnya bahan itu itu

akan menjadi tipe-n atau tipe-p, tergantung doping-nya, sehingga menjadi semikonduktor ekstrinsik.

Dopan dikelompokkan sebagai:

a. donor,diberi impuritas yang bervalensi +5 (misalnya P, As,Sb) menjadi tipe-n

b. akseptor ,diberi impuritas yang bervalensi +3 (misalnya Bo,In, Ga, B) menjade tipe-p

Konsentrasi doping ~ 1 ppm. Dengan adanya doping maka akan berakibat n ≠ p, sehingga konduktivitasnya menjadi :

untuk tipe-n σ d = nqμn

untuk tipe-p a p σ = pqμ

dengan n dan p adalah masing-masing konsentrasi impuritas untuk donor dan akseptor

dengan n dan p adalah masing-masing konsentrasi impuritas untuk donor dan akseptor.Pada saat pemberian impuritas donor (tipe-n) akan muncul tingkat energi yang diperbolehkan di bawah energi pita konduksi terendah yaitu sekitar ≈ 0,01 eV (untuk Ge) dan ≈ 0,05 eV (untuk Si). Sehingga pada suhu kamar hampir semua elektron donor berada di pita konduksi.Untuk impuritas akseptor (tipe-p) juga akan muncul tingkat energi di atas tingkat energi pita valensi tertinggi. Karena hanya perlu energi kecil saja elektron dari pita valensi berpindah ke tingkat energi akseptor akibatnya akan timbul hole di pita valensi.

Sifat-sifat listrik dari Ge dan Si

Difusi

Semikonduktor Tipe N

Semikonduktor Tipe P