Dokumen tersebut membahas tentang teori semikonduktor. Secara singkat, semikonduktor adalah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor, dan memiliki empat elektron valensi sehingga dapat membentuk ikatan kovalen. Terdapat dua jenis semikonduktor, yaitu intrinsik dan ekstrinsik, dimana ekstrinsik dihasilkan dari proses doping semikonduktor intrinsik dengan unsur yang memiliki

1. PAPER
TEORI SEMI KONDUKTOR
DI SUSUN OLEH :
MARYANTI
NIT:21.7.05.359
PRODI : TKL C
KEMENTRIAN KELAUTAN DAN PERIKANAN
BADAN RISET DAN SDM KELAUTAN DAN PERIKANAN
POLITEKNIK KELAUTAN DAN PERIKANAN BONE
2021

2. PENDAHULUAN
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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

6. 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

7. 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

8.  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

9.  Semikonduktortipe-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

10. 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
 Semikonduktortipe-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

11. 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).
10