SEMIKONDUKTOR SILIKON

oleh:

Nama: Ilham Nurhamidi

NIM: 13715007

Jurusan: Teknik Material ITB 2015

LATAR BELAKANG

Processor CPU, smartphone, sel surya, transistor, adalah beberapa contoh dan kemajuan material elektronik. Siapa yang dapat menyangkal kemajuan teknologi tersebut? Kebutuhan manusia yang makin hari makin meningkat dan sadarnya akan efisiensi energi, waktu, dan uang, membuat para ilmuwan dan engineer harus mencari solusi untuk mengikuti kemauan manusia dan perkembangan teknologi. Material yang berperan penting dalam kemajuan teknologi di bidang elektronik ini adalah semikonduktor.

PEMBAHASAN

Semikonduktor

Material semikonduktor adalah material yang memiliki konduktivitas listrik berada diantara konduktor maupun isolator. Dalam tabel periodik unsur, material semikonduktor biasanya didapatkan dari unsur-unsur metaloid seperti Boron (B), Silikon (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimoni (Sb), Telurium (Te) dan Astatin (At). Material semikonduktor akan bersifat sebagai isolator jika tidak ada arus yang mengalir atau tidak ada gaya yang diberikan dan akan bersifat konduktor yang baik jika dialiri arus tertentu di suhu tertentu, dan kondisi tertentu.

Gambar 1 Transistor trough-hole. Transistor merupakan salah satu contoh material semikonduktor

(Sumber: https://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:Transistor-photo.JPG diakses tanggal 19 Mei 2017)

Semikonduktor yang banyak dipakai saat ini berasal dari Silikon. Silikon dipakai karena jumlahnya yang banyak di alam, yakni 27,7% dalam kerak bumi[footnoteRef:1], baik dalam bentuk Silika (pasir) maupun dalam bentuk silikat (granit, feldspar, clay). Proses untuk mendapatkan Silikon murni beragam, salah satunya adalah reduksi SiO2 (pasir) dengan menggunakan elektroda Karbon dalam tungku elektrik dengan persamaan reaksi: [1: http://www.rsc.org/periodic-table/element/14/silicon diakses tanggal 19 Mei 2017]

SiO2 (s) + C(s) Si(s) + CO2 (g)

Gambar 2 Pemrosesan silikon

(Sumber: semiconductor.ppt mata kuliah MT 3202 Material Elektronik dan Magnetik)

Silikon adalah unsur golongan 14 ( IV A) dengan 4 elektron valensi. Saat silikon berikatan antar sesamanya maka membentuk suatu struktur yang kuat karena ikatan kovalen dari keempat elektron valensi tersebut.

Gambar 3 Struktur 2D kristal ikatan silikon Si-Si

(Sumber: http://zonaelektro.net/semikonduktor/struktur-kristal-silikon-dengan-ikatan-kovalen/ diakses tanggal 19 Mei 2017)

Semikonduktor intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah keadaan semikonduktor murni dan ideal tanpa dopant dan tanpa defect (cacat) seperti dislokasi dan batas butir. Semikonduktor intrinsik memiliki jumlah elektron dan hole yang seimbang dalam temperatur tertentu[footnoteRef:2]. Hole adalah ruang kosong yang ditinggalkan oleh elektron yang bergerak. Hole dianggap memiliki muatan yang besarannya sama dengan elektron namun berlawanan tanda ( + 1,6x1019 C). [2: semiconductor.ppt mata kuliah MT 3202 Material Elektronik dan Magnetik]

Pada 0 K, material semikonduktor intrinsik memiliki valence band yang terisi penuh oleh elektron, dan terpisah dengan conduction band (CB) oleh suatu celah yang disebut band gap. Valence band (VB) adalah tingkat energi terendah dari elektron, dan conduction band adalah tingkatan energi saat elektron telah mendapat energi yang cukup untuk tereksitasi dari valence band. Untuk unsur Silikon, besar band gap nya mendekati 1,11 eV[footnoteRef:3]. [3: Callisters Material and Engineering edisi ke-8 halaman 733]

Gambar 4 Kemungkinan electron gap material semikonduktor solid pada 0 K

(sumber: Callisters Material and Engineering edisi ke-8 halaman 724)

Pada semikonduktor intrinsik saat temperatur berada diatas temperatur absolut (0 K), atom-atom Silikon pada kisi kristal Si akan mendapatkan energi yang menyebabkan mereka bervibrasi. Akibat dari vibrasi ini maka akan ada wilayah dari kisi Silikon yang memiliki cukup energi untuk membuat ikatan Si-Si pecah. Akibat dari rusaknya ikatan ini maka akan ada elektron yang lepas berkeliaran dan meninggalkan sebuah hole. Hole ini akan diisi oleh elektron tetangganya dan begitu seterusnya hingga elektron yang lepas diawal tadi kembail menempati hole yang ditinggalkannya (tunneling electrons). Adanya elektron yang berkeliaran dan hole ini menyebabkan adanya konduksi listrik yang dapat dimanfaatkan.

Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah jenis semikonduktor yang diberi sedikit dopant atau pengotor untuk menciptakan kelebihan elektron ataupun kelebihan hole dalam kristal Si sehingga konduktivitas listriknya dapat direkayasa. Ada dua tipe semikonduktor ekstrinsik: tipe n dan tipe p.

1. Semikonduktor tipe n

Semikonduktor tipe n akan terbentuk jika ditambahkan atom bervalensi 5 seperti Arsenik (As) ke dalam kristal Silikon. Arsen disini bertindak sebagai atom donors.

Gambar 5 Kristal Si yang didoping oleh As. Keempat elektron valensi As memungkinkan mereka untuk berikatan dengan 4 atom Si namun akan ada 1 elektron bebas yang tak berikatan. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan 1 elektron ini ke keadaan conduction band sangat kecil.

(sumber: S. O. Kasap-Principles of Electronic Materials and Devices. S.O. Kasap -McGraw-Hill Education (2005) halaman 387)

Gambar 6 energy band diagram dari semikonduktor tipe n Si yang didoping oleh As. Terdapat tingkatan donor energy Ed dibawah Ec

(sumber: S. O. Kasap-Principles of Electronic Materials and Devices. S.O. Kasap -McGraw-Hill Education (2005) halaman 389)

2. Semikonduktor tipe p

Semikonduktor tipe p tercipta saat ke dalam kristal Si ditambahkan dopant berupa atom bervalensi 3 seperti Boron. Boron disini berperan sebagai acceptor impurity.

Gambar 7 Boron mendoping kristal Si. B hanya memiliki 3 elektron valensi.

(a) Saat B mensubstitusi atom Si dalam kristal, e elektron valensinya akan berikatan masing-masing dengan Si dan terdapat satu bagian yang tidak memiliki pasangan elektron ikatan dan membentuk hole. (b) Hole mengorbit disekitar B- akibat adanya tunneling electrons dari elektron tetangganya.

(sumber: S. O. Kasap-Principles of Electronic Materials and Devices. S.O. Kasap -McGraw-Hill Education (2005) halaman 391)

Gambar 8 Energy band diagram dari semikonduktor tipe p Si didoping oleh B. Terdapat tingkatan acceptor energy Ea yang menerima elektron dari VB dan meninggalkan hole.

(sumber: S. O. Kasap-Principles of Electronic Materials and Devices. S.O. Kasap -McGraw-Hill Education (2005) halaman 391)

Aplikasi Semikonduktor

1. Sel surya

Gambar 9 struktur c-Si sel surya(sumber: Solar-Cells-R3-CH3_Solar_cell_materials.pdf diakses tanggal 19 Mei 2017)

Sel surya adalah salah satu jenis pengaplikasian material semikonduktor. Dalam sel surya, kristalin silikon tersusun seperti sandwich diantara conductive layer. Sel surya menggunakan 2 lapisan silikon yang berbeda. Silikon tipe n memiliki elektron ekstra dan silikon tipe p memiliki hole ekstra. Saat dua tipe dari silikon ini disatukan, elektron dapat berkeliaran disekitar sambungan (p/n junction), yang membuat salah satu sisi menjadi bermuatan lebih negatif dan sisi lainnya bermuatan positif. Saat cahaya matahari yang mengandung photons mengenai sel surya dengan energi yang cukup, mereka akan dapat menendang elektron dari tempatnya dan meninggalkan sebuah hole. Elektron bermuatan negatif dan hole bermuatan positif sekarang bebas untuk bergerak. Tapi karena adanya medan listrik di p/n junction, mereka hanya akan pergi ke satu arah saja. Elektron ditarik ke n-side sedangkan hole ditarik ke p-side. Elektron ini masih berupa arus DC. Mereka akan melewati sebuah inverter dan arus DC tersebut diubah menjadi arus AC agar dapat dipakai oleh alat elektronik di rumah.

2. Transistor

Transistor adalah sebuah alat elektronik terbuat dari material semikonduktor yang dapat berperan sebagai konduktor dan juga isolator.

Gambar 10 simbol transistor

(sumber: http://zonaelektro.net/transistor/simbol-transistor/)

Prinsip kerja semikonduktor pada transistor mirip dengan sel surya, yakni semikonduktor tipe n dan tipe p disatukan membentuk p/n junction. Saat kita susun material tersebut menjadi sandwich 3 lapis dengan tipe n berada diantara tipe p, maka didapat transistor PNP. Sebaliknya jika tipe p berada diantara tipe n maka akan dihasilkan transistor NPN. Kita ambil contoh transistor NPN. Saat semikonduktor tipe p disatukan dengan tipe n maka elektron bebas yang berada dalam tipe n akan berdifusi ke semikonduktor tipe p untuk mengisi hole. Akibat adanya difusi elektron ini, maka semikonduktor tipe p sekarang bermuatan negatif dan menimbulkan adanya depletion layer. Dalam keadaan seperti ini, elektron bebas yang masih berada di tipe n akan ditolak oleh tipe p karena tipe p sekarang bermuatan negatif, sehingga bisa dikatakan transistor dalam keadaan mati. Untuk membuat transistor hidup maka diberikan sejumlah kecil tegangan positif pada komponen gate. Tegangan ini akan menarik elektron dari semikonduktor tipe n dan memaksanya untuk menembus depletion layer. Selain itu tegangan positif tersebut membuat depletion layer yang dekat dengan gate mengalami penyusutan sehingga mudah dilalui oleh elektron sehingga terbentuk conducting channel. Aliran elektron ini akan melewati drain dan sampai pada source dan membentuk siklus berulang selama transistor ini hidup. Transistor diaplikasikan sebagai switch dan juga amplifier pada radio ataupun speaker.

Gambar 11 Komponen umum dalam transistor

(sumber: introduction to Electronic Material.ppt mata kuliah MT 3202 Material Elektronik dan Magnetik)

KESIMPULAN

Semikonduktor adalah material yang memiliki konduktivitas listrik diantara konduktor dan isolator. material semikonduktor terbagi menjadi semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Material semikonduktor banyak diaplikasikan sebagai resistor (switch dan amplifier) dan juga sel surya.

DAFTAR PUSTAKA

Callister, William D. Materials Science And Engineering an Introduction, 8th edition.

Kasap, S. O. Principles of Electronic Materials and Devices, 3rd edition.