SEMIKONDUKTOR

A. Pengertian Semikonduktor

Dalam pengertian umum bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat

setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini

lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi

bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom

penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan

tersebut (pemberiantegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu

semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar.

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor merupakan material zat

padat yang memiliki harga resistivitas antara 10-2–109 Ω.cm. Semikonduktor

disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. 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.

Bahan semikonduktor memegang peranan penting dalam teknologi

modern. Hampir semua komponen dalam peralatan elektronik seperti

mikroprosessor, IC-IC, dioda, laser, display, dan sebagainya adalah bahan

semikonduktor. Setiap bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu

sehingga dalam aplikasinya harus merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut.

Sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya

tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki energi gap yang cukup lebar

seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar 3,4 eV. Kita bisa

juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun divais

ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.

1

B. Bahan Pembuat Semikonduktor

Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali

dieksplorasi adalah germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang

banyak diteliti untuk bahan baku pembuatan divais elektronik maupun

optoelektronik adalah silikon dengan pertimbangan bahan silikon cukup

melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain silikon material lain yang

banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan II-VI atau III-

V seperti dalam tabel periodik di bawah baik binary (paduan 2 unsur) maupun

ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN,

AlGaSb, GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut

masing-masing memiliki ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik

maupun sifat optiknya yang aplikasinya dapat disesuaikan dengan karakteristik

fisisnya masing-masing. Bahan semikonduktor itu antara lain alumunium

arsanide, alumunium gallium arsanide,boron nitride, cadmium sulfide, cadmium

selenide, berlian, gallium arsanide, gallium nitride, germanium, indium

phosphide, silicon, silicon carbide, silicon germanium, silicon on insulator, zinc

sulfide, zinc selenide.

Gambar 1. Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor

2

Gambar2. Bahan pembuat semikonduktor berbentuk wafer

Orbital-orbital elektron dalam kristal semikonduktor terbagi dalam dua

kelompok pita energi. Pita yang memiliki energi rendah dinamakan pita valensi

sedangkan pita yang memiliki energi tinggi dinamakan pita konduksi. Pita valensi

dan pita konduksi dibatasi oleh nilai-nilai energi yang tidak boleh ditempati

elektron. Daerah terlarang tersebut dinamakan celah energi. Lebar celah energi

didefinisikan sebagai selisih antara energi terendah dalam pita konduksi dengan

energi tertinggi dalam pita valensi, atau dapat dituliskan:

Eg = Ec – Ev

Dimana:

Eg = lebar celah pita energi

Ec = energi terendah dalam pita konduksi

Ev = energi tertinggi dalam pita valensi

Aliran muatan listrik dalam bahan semikonduktor terjadi jika ada elektron

yang meloncat dari pita valensi ke pita konduksi. Dalam pita valensi, elektron

tidak dapat mengalir bebas dalam logam sehingga mudah mengalir ketika diberi

medan listrik. Dalam pita valensi, elektron tidak dapat mengalir bebas meskipun

diberikan medan listrik yang besar. Pada suhu mendekati nol Kelvin tidak ada

elektron yang sanggup meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sehingga

semikonduktor bersifat isulator. Jika suhu dinaikkan maka ada elektron dari pita

valensi yang meloncat ke pita konduksi. Makin tinggi suhu makin banyak elektron

yang meloncat ke pita konduksi sehingga konduktivitas semikonduktor makin

besar.

3

Ketika elektron meloncat ke pita konduksi maka pita valensi menjadi

kekurangan elektron. Lokasi yang ditinggalkan elektron seolah berperilaku

sebagai partikel bermuatan positif. Partikel ini dinamakan hole. Dalam bahan

semikonduktor murni, jumlah elektron yang meloncat ke pita konduksi persis

sama dengan jumlah hole yang terbentuk di pita valensi. Dengan demikian, jika ne

adalah konsentrasi elektron pada pita konduksi dan nh adalah konsentrasi hole

pada pita valensi maka untuk semikonduktor murni terpenuhi:

ne = nh

Bahan semikonduktor untuk aplikasi industri umumnya bukan

semikonduktor murni, tetapi semikonduktor yang didop dengan atom tertetu.

Doping tersebut menyebabkan terjadinya perubahan konsentrasi elektron dan hole

yang tidak lagi memenuhi persamaan di atas. Jika atom dopan pada

semikonduktor memberikan sumbangan elektron pada material sehingga menjadi

atom yang bermuatan positif maka dikatakan atom tersebut sebagai donor

(pemberi elektron). Sebaliknya jika atom dopan pada semikonduktor menarik

elektron dari pita valensi sehingga menjadi atom yang bermuatan negatif maka

dikatakan atom tersebut sebagai akseptor. Jika jumlah atom donor lebih banyak

dari atom akseptor maka dinamakan semikonduktor tersebut bertipe negatif.

Sebaliknya jika jumlah akseptor lebih banyak daripada jumlah atom donor maka

dinamakan semikonduktor bertipe positif.

Karena elektron adalah fermion maka distribusi elektron pada pita

konduksi memenuhi fungsi distribusi Fermi-Dirac:

f e ( E )= 1

e[ E−μ

kT ]+1

Populasi elektron pada pita konduksi adalah:

N e=∑CB

f e ( E )

dan jumlah hole pada pita valensi adalah:

Nh=∑VB

{1−f e ( E ) }=∑VB

f h ( E )

dengan:

4

f h ( E )=1−f e ( E )=1− 1

e[ E−μ

kT ]+1

¿ e[ E−μ

kT ]

e[ E−μ

kt ]+1

¿ 1

e[ μ−E

kT ]+1

Hukum Aksi Massa

Sekarang kita hitung perkalian ne dan nh.

ne nh=nc e[−( Ec−μ )

kT ]×nv e

[−( μ−Ev )kT ]

¿ (nc nv) e[−( Ec−E v)

kT ]

¿ (nc nv) e[−E g

kT ]

Untuk semikonduktor murni berlaku ne = nh = ni. Dengan demikian,

konsentrasi pembawa muatan intrinsik dapat ditentukan dari persamaan di atas

sebagai:

ni2=(nc nv ) e

[−Eg

kT ] atau ni=(nc nv )12 e

[−E g

2kT ]

Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang

sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Hal ini

dapat terjadi karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi

penuh oleh elektron, dan ketika dalam temperatur yang tinggi akan ada ikatan-

ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron-elektron bebas.

C. Model Ikatan Atom pada Bahan Semikonduktor

Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling

berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal

yang disebut ikatan kovalen. Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di

5

bawah ini digambarkan terbentuknya ikatan kristal pada bahan silikon. Gambar 3a

menunjukkan ilustrasi ikatan kovalen dari atom silikon pada kondisi temperatur

nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom silikon menyumbangkan satu elektron

untuk tiap pasangan ikatan kovalen.

Apabila kristal semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata

lain temperaturnya dinaikan, maka penambahan energi termal tersebut dapat

menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini dapat membangkitkan pasangan

elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari keadaan valensi ke

keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan

menjadi hole seperti nampak pada gambar 3b.

Gambar 3. Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur

nol Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin

D. Model Pita Energi Semikonduktor

Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron

valensi pada kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 4b),

keadaan elektron valensi ini memiliki tingkat energi yang besarnya Ev. Elektron

valensi ini berkontribusi pada pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom

penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan keadaan dimana elektron sudah

6

terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi dengan tingkat energi Ec

(gambar 4a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya dinaikan maka

akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan

kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan

elektron bebas yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi Ec.

Pada gambar 4c diilustrasikan keadaan elektron konduksi dimana setelah

terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron valensi pada tingkat energi Ev akan

berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat energi Ec. Selisih antara tingkat

energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi celah pita

(energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang

dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.

Gambar 4. Model pita energi bahan semikonduktor

7

Tabel 1. Energi gap bahan semikonduktor

E. Tipe Semikonduktor

Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) dan elektron berfungsi

sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus). Semikonduktor dibagi dua

berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu:

a. Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-

atom lain (atom pengotor)

b. Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan

sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis

semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari

dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N

(pembawa muatan elektron).

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni yang belum

diberikan atom pengotor (impuritas). Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut

sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik

pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan

positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya

pengaruh medan listrik”

Apabila semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk

pasangan elektron-hole dimana elektron bermuatan negatif dan hole dapat

dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi elektron pada semikonduktor

intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan:

ni2=B T 3 e

(−E G

kT )

Keterangan:

EG = energi celah pita semikonduktor (eV)

B = konstanta bahan (untuk Si = 1,08x1031 K-3cm-6)

T = temperatur (K)

k = konstanta Boltzman (8,62x105 eV/K)

8

ni ≈ 1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar

Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan

konsentrasi hole-nya tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan

muatan pembawa akibat adanya atom pengotor. Sebagai contoh pemberian atom

pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5. Pada semikonduktor silikon

yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang tidak

terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat

menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini

dinamakan semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan

pembawa elektron seperti gambar di bawah.

Gambar 5. Kristal silikon yang diberi pengotor fosfor

Apabila kristal silikon diberi atom pengotor boron yang memiliki elektron

valensi 3 maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena

terdapat satu kekosongan (hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan

demikian muatan pembawa pada kristal silikon yang telah diberi pengotor boron

akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga kristal silikon akan bertipe-p

(positif) seperti gambar di bawah.

9

Gambar 6. Kristal silikon yang telah diberi atom pengotor boron

Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau

lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium

murni (lihat gambar). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa

digunakan diperlihatkan pada tabel 2.

Tabel 2. Elemen semikonduktor pada tabel periodik

Semikonduktor tipe-n

Semi konduktor tipe N termasuk dalam semi konduktor ekstrinsik (tak

murni). Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan perbandingan atom

pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara 1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1

juta. Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa muatan saja

10

(Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk memperbesar daya hantar

listrik.Semikonduktor tipe N ialah semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari

semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5

seperti As, Pb, P. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat

kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-atom asli.

Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak terikat dalam ikatan

kovalen sehingga menjadi elektron bebas. Dengan demikian pada bahan ini

jumlah elektron bebas akan meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga

elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang terbentuk

akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas. Karena pembawa muatan

mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang elektron bebas bermuatan negatif,

maka semikonduktor yang terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. dalam

hal ini N kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi

tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif. Semikonduktor ini tetap

netral.

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil

atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon

murni. Atom-atom pengotor (doping) ini mempunyai lima elektron valensi

sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom

pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat

elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa

sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 7).

Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan

menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran

listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor

tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.

Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut

sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti

terlihat pada gambar 7.

11

Gambar 7. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita

energi semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom

donor.

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tipe N ini dinyatakan

dengan nn sedang konsentrasi holenya dinyatakan dengan pn dan konsentrasi

atom donor dinyatakan dengan ND maka berlaku:

nn ≈ND

Menurut hukum massa aksi hasil kali konsentrasi pembawa muatan positif

dengan pembawa muatan negatif dalam keseimbangan termal merupakan suatu

tetapan yang tidak bergantung pada donor dan aseptor yang besarnya n22. Maka

berdasarkan hukum ini berlaku

nn pn ≈ ND

Pn=n22

nn

=n 22

N D

Daya hantar jenis listriknya dapat dicari dari hubungan sebagai berikut :σ=e (nn μn+Pn μn)

σ=e (N D μn+n2

2

N D

μp)

12

jika Pn diabaikan terhadapnnmak a :

σ=e N D μn

Semikonduktor tipe-p

Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori

dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau Ga.Karena perbandingan

atom pengotor dengan atom asli sangat kecil,maka setiap atom pengotor hanya

bervalensi 3 maka hanya menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga

ada kekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian pengotoran ini

menyebabkan meningkatnya jumlah hole. Sedang pembawa muatan minoritasnya

adalah elektron bebas yang terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat

suhu. Karena hole bermuatan positif maka semikonduktor yang terbentuk disebut

semikonduktor tipe P. Seperti halnya semikonduktor tipe N,semikonduktor tipe p

bermuatan netral. karena atom pengotor menyediakan kekurangan, maka disebut

aseptor (atom aseptor).

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tope P ini disebut np,

konsentrasi holenya pp dan konsentrasi aseptornya NA maka analog pada

semikonduktor tipe N berlaku persamaan-persamaan :

Pp NA

np pp=n22

np=n2

2

pp

=n2

2

N A

np pp

σ=e (N A μp+n2

2

N A

μn)Dan jika np diabaikan terhadap Pp maka

σ=e N A μ p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor

tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor trivalen

(aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya

silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi

sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah

13

atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga

ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang

tidak berpasangan (lihat gambar 8) yang disebut lubang (hole). Material yang

dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena

menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom

pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom

aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti

terlihat pada gambar 8.

Gambar 8. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita

energi semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom

aseptor.

F. Tipe Arus Listrik pada Semikonduktor

Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi

karakteristik listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi

pada semikonduktor yaitu arus hanyut (drift) dan arus difusi.

1. Arus hanyut (drift)

Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel

bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan

laju yang berbanding lurus dengan medan listriknya.

14

vn = -µnE .......... laju hanyut elektron

vp = µpE ............laju hanyut

dimana:

vn dan vp = laju dari elektron dan hole (cm/s)

µn dan µp = mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)

Rapat arus drift untuk elektron adalah:

jn = q n µn E

Rapat arus drift untuk hole adalah:

jp = q p µp E

Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari

rapat arus drift elektron dengan rapat arus drift hole.

jT = jn + jp = q (n µn + p µp)E = σ E

Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:

σ = q(n µn + p µp)

Dan resistivitasnya ρ = 1/σ

2. Arus Difusi

Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.

Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah

yang memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan

gradien konsentrasi yang dirumuskan:

Arus difusi untuk hole:

jPdiff=(+q ) DP(−∂ p

∂ x )=−q D p∂ p∂ x

Arus difusi untuk elektron:

jndiff=(−q ) Dn(−∂ n

∂ x )=+q Dn∂ n∂ x

Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron

Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift

dengan arus difusi yang dirumuskan:

Rapat arus total untuk elektron:

jnT=q μnnE+q Dn

∂ n∂ x

15

Rapat arus total untuk hole: j pT=q μ p pE−q D p

∂ p∂ x

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena

konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa

disebut pendonor elektron).

G. Struktur Bahan Semikonduktor

Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273

°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron

valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.

Silikon dan germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak

digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak

digunakan daripada gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi.

Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau

semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt

(eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk

berpindah pada beda potensial sebesar 1 V. Satu elektron volt setara dengan

1,60x10-19 J. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk

memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke

jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV,

sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap

yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang

dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.

H. Doping Semikonduktor

16

Gambar 9. Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor

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 doping.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya

dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern,

misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai

pengganti logam.

I. Pita Energi Semikonduktor

Diagram pita energi untuk germanium dan silikon mirip dengan intan

dengan perbedaan celah energi hanya sekitar 1 eV. Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d10

4s2 4p2 dan Si [Ne] 3s2 3p2; kedua macam atom ini memiliki 4 elektron di tingkat

energi terluarnya. Tumpang-tindih pita energi di tingkat energi terluar akan

membuat pita energi terisi penuh 8 elektron. Karena celah energi sempit maka jika

temperatur naik, sebagian elektron di pita valensi naik ke pita konduksi mudah

dan dengan meninggalkan tempat kosong (hole) di pita valensi. Baik elektron

yang telah berada di pita konduksi maupun hole di pita valensi akan bertindak

sebagai pembawa muatan untuk terjadinya arus listrik. Konduktivitas listrik naik

dengan cepat dengan naiknya temperatur.

Gambar 10. Diagram pita energi semikonduktor

Konduktivitas listrik tersebut di atas disebut konduktivitas intrinsik.

Konduktivitas material semikonduktor juga dapat ditingkatkan dengan

penambahan atom asing tertentu (pengotoran, impurity). Jika atom pengotor

memiliki 5 elektron terluar (misalnya P atau As) maka akan ada kelebihan satu

elektron tiap atom. Kelebihan elektron ini akan menempati tingkat energi sedikit

17

di bawah pita konduksi (beberapa perpuluh eV) dan dengan sedikit tambahan

energi akan sangat mudah berpindah ke pita konduksi dan berkontribusi pada

konduktivitas listrik. Atom pengotor seperti ini disebut donor (karena ia

memberikan elektron lebih) dan semikonduktor dengan donor disebut

semikonduktor tipe n.

Jika atom pengotor memiliki 3 elektron terluar (misalnya B atau Al) maka

akan ada kelebihan satu hole tiap atom. Kelebihan hole ini akan menempati

tingkat energi sedikit di atas pita valensi dan dengan sedikit tambahan energi akan

sangat mudah elektron berpindah dari pita valensi ke hole di atasnya dan

meninggalkan hole di pita valensi yang akan berkontribusi pada konduktivitas

listrik. Atom pengotor seperti ini disebut akseptor (karena ia menerima elektron

dari pita valensi) dan semikonduktor dengan akseptor disebut semikonduktor tipe

p. Untuk membuat perubahan konduktivitas yang memadai di material

semikonduktor, cukup ditambahkan sekitar 1 pengotor per sejuta atom

semikonduktor.

J. Contoh soal dan Penyelesaian

1. konsentrasi atom Ge adalah 4,41×1022 atom/cm3. Jika tiap 108 atom Gedikotori 1 atom donor, dan μn = 3800 cm2/Vs, tentukan σ ! Penyelesaian:

N D=1

108/ 4,41 x 1022=4,41 x1022

108 =4,41 x 1014 atomcm3

σ=e N D μn

¿1,6 x10−19 x4,41 x 1014 x3800

¿0,268(Ωcm)-1

*Tolong di Tambahkan lagi ya,kawan.....*

18

KESIMPULAN

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor. Merupakan material zat padat yang

memiliki harga resistivitas antara 10-2–109 Ω.cm. Semikonduktor disebut juga

sebagai bahan setengah penghantar listrik. Unsur-unsur yang banyak digunakan

sebagai bahan semikonduktor yaitu alumunium arsanide, alumunium gallium

arsanide,boron nitride, cadmium sulfide, cadmium selenide, berlian, gallium

arsanide, gallium nitride, germanium, indium phosphide, silicon, silicon carbide,

silicon germanium, silicon on insulator, zinc sulfide, zinc selenide.

Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu:

c. Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-

atom lain (atom pengotor)

d. Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan

sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis

semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari

dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N

(pembawa muatan elektron).

19

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, Mikrajuddin. Pengantar Fisika Statistik. 2009. Bandung:Penerbit ITB

http://www.slideshare.net/mansen3/bahan-semikonduktor

http://blog.ub.ac.id/bleng2/2012/02/26/teori-semikonduktor/

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor

http://www.edukasi.net/index.php?mod=script&cmd=Bahan%20Belajar/Materi

%20pokok/view&id=338&uniq=3331

http://www.file-edu.com/2012/11/soal-dan-jawaban-zat -padat.html?m=1#!

*Tambahin lagi ya daftar pustaka nya...*

Ada buku yang fisika zat padat dari itb itu ada yang punya??

20