makalah semikonduktor
DESCRIPTION
makalah semikonduktorTRANSCRIPT
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).