Dokumen tersebut membahas tentang konduktivitas bahan, struktur atom dan kristal semikonduktor seperti silikon dan germanium, serta karakteristik elektronik semikonduktor seperti celah energi, mobilitas, arus drift dan diffusi."

1. Elektronika 1
Semikonduktor
Isolator adalah bahan dengan konduktivitas paling rendah
Konduktor adalah bahan dengan konduktivitas paling tinggi
Semikonduktor adalah material yang level konduktivitas (daya hantaran listriknya) berada
diantara isolator dan konduktor
Hantaran listrik suatu bahan tergantung dari sifat tahanan bahan tersebut.
Tahanan suatu material dapat diekspresikan melalui persamaan berikut:
A
L
R  (Ω)
R = tahanan bahan
ρ = rho = tahanan jenis bahan
L = panjang bahan
A = luas penampang bahan
Contoh perbedaan tahanan jenis bahan pada 300o
K (suhu ruang)
Konduktor Semikonduktor Isolator
ρ = 10-6
Ωcm
(Tembaga)
ρ = 50 Ωcm (Germanium)
ρ = 50x103
Ωcm (Silicon)
ρ = 1012
Ωcm (Mika)
Dari tabel terlihat tahanan semikonduktor (Germanium dan Silikon) terletak diantara
konduktor dan isolator.
Germanium (Ge) dan Silikon (Si) diamati secara khusus untuk beberapa alasan antara lain :
 Material Ge dan Si dapat dibuat dengan tingkat kemurnian yang tinggi  kemajuan
teknologi menunjukkan bahwa level ketidakmurnian bahan tersebut dapat direduksi
menjadi 1 bagian atom lain dalam 10 billion atom Ge atau Si (1 : 1010
)
 Karakteristik menunjukkan bahwa material tersebut dapat diaplikasikan menjadi
device yang sensitif terhadap panas dan cahaya.
 Tingkat impurity (ketidakmurnian) dapat merubah sifat kelistrikan dari tingkat
konduktor yang rendah ke konduktor listrik yang baik.
Proses impurity dapat dilakukan dengan jalan menyisipkan atom ke dalam struktur atom-atom
utama (Ge dan Si)  proses ini lebih dikenal dengan istilah “DOPING”.
L
r
x
A = x.r
A = Luas = π.r2

2. Elektronika 2
Struktur kristal tunggal Ge dan Si:
Hal penting tentang atom:
Setiap atom mempunyai 3 partikel utama yaitu:
Neutron, Proton dan Elektron.
Neutron = partikel yang tidak bermuatan (netral)  muatannya = 0; simbol : n
Proton = partikel bermuatan positif  simbol : p
besar muatan sama dengan muatan elektron
Elektron = partikel bermuatan negatif  simbol : e
muatan : 1,6x10-19
Coulomb
 Neutron dan Proton barasal dari inti, sedangkan elektron berputar mengelilingi inti
melalui lintasan-lintasan (orbit) tertentu.
 Selama elektron beredar dalam lintasannya tidak terjadi penyerapan atau pemancaran
energi.
 Elektron dapat berpindah tempat dari lintasan dalam ke lintasan luar atau dari tempat
dengan tingkat energi yang lebih rendah ke tempat dengan tingkat energi yang lebih tinggi
dengan menyerap energi
Sebaliknya
Dari lintasan luar ke lintasan dalam (dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi yang lebih
rendah) dengan memancarkan energi.
Model Atom Bohr
Lintasan 1 = K 2
Lintasan 2 = L 8
Lintasan 3 = M 18
Lintasan 4 = N 32
Dst Dst
Elektron
Maksimum

3. Elektronika 3
 Semua atom mempunyai kecenderungan untuk membentuk struktur atom dengan 8
elektron pada kulit terluar (elektron valensi), karena sifatnya sangat stabil dan tidak reaktif,
contoh : golongan Gas Mulia: He, Ne, Ar, Kr, Xe dan Rn.
 Salah satu caranya dengan sharing elektron (pemakaian elektron bersama-sama)  prinsip
ini dikenal sebagai “ikatan kovalen”.
Contoh:
Ge  nomor atom : 32
Si  nomor atom : 14  struktur Si digambarkan dengan menganggap ada 14 elektron yang
bergerak mengelilingi inti yang mempunyai muatan +14 q
q = muatan listrik = 1,6x10-19
Coulomb
(a) (b) ikatan kovalen
Struktur atom : (a) Silikon
(b) Germanium
Silikon dan Germanium mempunyai 4 tempat kosong pada kulit terluar, berarti Si dan Ge
dapat menerima 4 buah elektron dari luar  untuk membentuk struktur dengan 8 elektron di
kulit terluar.
 Sebuah kristal murni (ikatan terbentuk dari atom-atom yang sama)  merupakan isolator
karena semua elektronnya saling mengikat.
 Pada kristal semikonduktor timbulnya sifat kelistrikan dapat dijelaskan sbb :
temperatur naik  atom-atom bergetar oleh panas  memberi energi pada elektron 
elektron dapat terbebas dari ikatan  konduksi listrik naik.
elektron terlepas
(bebas)
Hole = tempat kosong yang tidak lagi diduduki elektron

4. Elektronika 4
Hole juga dapat berpindah-pindah dan mempunyai sifat
sebagai zarah bermuatan positif.
Dalam kristal dengan ikatan kovalen murni yang tidak
mengandung atom asing  konduksi listrik tentunya
hanya ditimbulkan oleh gerakan elektron dan hole
bersama-sama.
Energi yang diperlukan untuk membebaskan ikatan elektron disebut energi ionisasi  untuk
Si = 1,1 eV dan Ge = 0,7 eV
1 eV (elektron volt) adalah besarnya energi yang diperoleh elektron yang dipercepat oleh beda
potensial 1 volt.
1 eV = 1,601 x 1 eV
= 1,601 x 10-19
(Coulomb x 1 volt)
= 1,601 x 10-19
Joule
Energi ionisasi dapat ditimbulkan oleh Temperatur
Foton
Energi ini dikenal sebagai Celah Energi (energi gap) = Eg
Oleh temperatur  Eionisasi = kT
k = konstanta Boltzman = 8,64x10-5
(eV/o
K)
T = temperatur absolut (o
K)
Pada temperatur kamar (300o
K) :
Eionisasi = 0,0258 eV 0,7 eV (Ge) .
1,1 eV (Si)
Energi
Eg Level 2
Eg Level 3
inti
(Level Energi)
Level Valensi
Eg untuk tiap-tiap level tidak sama
Hole
maka tidak ada elektron yang terbebas

5. Elektronika 5
Perbedaan tingkat energi ionisasi:
Apabila elektron berpindah dari jalur valensi ke jalur konduksi maka timbul hole pada jalur
valensi dan elektron bebas pada jalur konduksi.
Celah energi pada bermacam – macam semikonduktor:
Semikonduktor Celah energi eV (pada 300o
K)
Si
Ge
1.11
0.67
Ga As
Ga Sb
1.39
0.67
In Sb
Cd Te
0.17
1.45
Cd S
Zn O
Intan
2.45
3.2
6
Intan merupakan isolator terbaik  Eg = 6 eV
In Sb mempunyai konduktivitas besar pada suhu kamar Eg = 0.17
Pita konduksi
Pita Valensi
Energi Energi Energi
Pita konduksi
Pita Valensi
Pita konduksi
Pita Valensi
Eq
Electron valensi
terikat oleh
struktur atom
Konduktor
Pita konduksi
Pita valensi
Electron bebas
yang
membentuk
konduksi
Overlap antara pita konduksi
dan pita valensi  tidak
diperlukan Eionisasi agar bahan
dapat menghantarkan listrik
Eg = 11 eV (Si)
E = 0.67 eV (Ge)
SemikonduktorIsolator
Eq > 5eV

6. Elektronika 6
ENERGI FERMI
Tingkat energi Fermi (EF) adalah tingkat energi referensi dimana pada tingkat ini
kemungkinan dijumpainya elektron atau hole adalah 50 %.
Fungsi distribusi Fermi – Dirac
 KT
EE F
Exp1
1
f(E) 


EF = tingkat Fermi (eV)
k = konstanta Boltzman (eV/o
K)
T = Temperatur absolute (o
K)
Keterangan grafik:
 Pada t = 0 o
K (=-273 o
C)  semua elektron di jalur valensi  jalur konduksi kosong.
Kemungkinan dijumpai elektron pada 0 > E > EF adalah 100 %, atau f(E) = 1  artinya
semua keadaan diduduki elektron (hole = 0)
 E > EF  f(E) = 0  kemungkinan dijumpai elektron di daerah E > EF adalah nol.
 E = EF 
2
1
f(E)   di daerah E = EF, kemungkinan dijumpainya elektron adalah 50 %.
Semikonduktor  EF terletak di tengah – tengah antara jalur konduksi dan jalur valensi.
MOBILITAS PEMBAWA MUATAN (µ)
Mobilitas (gerakan) adalah parameter semikonduktor untuk menunjukkan sejauh mana
pembawa muatan dapat dengan mudah bergerak dalam bahan di bawah pengaruh suatu medan
listrik.









Vs
m
E
V
m)listrik(V/medankuat
(m/sec)elektronalirankecepatanratarataharga
μ
2
Dalam semikonduktor  diperlukan harga mobilitas yang tinggi.
(E – EF)eV
f(E)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
- 0.2
- 0.4
- 0.6
- 0.8
- 1.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0o
K
300o
K
2500o
K

7. Elektronika 7
Faktor yang mempengaruhi mobilitas :
 Kerusakan dalam susunan Kristal.
 Kenaikan temperature  T (↑) pasangan e-
dan hole (↑), tetapi inti atom pun bergetar 
menghambat mobilitas.
Perbandingan mobilitas elektron dan hole pada semikonduktor :
Semikonduktor Eg (eV) Mobilitas e-
(m2
/Vs)
Mobilitas hole
(m2
/Vs)
Ge
Si
Ga As
Ga P
In Sb
0.72
1.10
1.40
2.25
0.20
0.3
0.15
> 0.50
0.01
> 6
0.19
0.05
003
0.002
0.30
 In Sb mempunyai mobilitas lebih tingi dibandingkan dengan bahan semikonduktor yang
lain.
 Penggunaan In Sb sangan sedikit karena Eg nya rendah.
Diperlukan Eg yang relative tinggi untuk bahan – bahan yang dipakai dalam pembuatan dioda
dan transistor.
ARUS DIFUSI DAN ARUS DRIFT
Arus drift : arus yang timbul akibat gerakan – gerakan partikel bermuatan, karena
adanya medan listrik.
Kecepatan gerak partikel tersebut sebanding dengan medan yang diberikan.
+ -
medan listrik (ε)
elektron
hole
Arus (I)

8. Elektronika 8
εμv p
Kecepatan elektron : εμv n
holemuatanpemabawamobilitasμ
elektronmuatanpembawamobilitasμ
p
n


Bila konsentrasi elektron : n
Hole : p
maka kepadatan (kerapatan) arus J masing-masing:
)(A/mεμnqVnq)(Jn 2
n
)(A/mεμpqVnq)(Jn 2
p
Arus Diffusi adalah arus yang mengalir akibat adanya perbedaan konsentrasi partikel dari
suatu titik ke titik lain walaupun tanpa medan listrik.
 Partikel bermuatan akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah
dengan konsentrasi rendah
 Arah gerakannya random (acak)
 Gerakan berlangsung terus sampai konsentrasi partikel antara satu titik dengan yang
lainnya sama
Hubungan antara konstanta diffusi D dengan kerapatan arus J untuk
hole :
x
p
qDpJp



elektron :
x
n
qDnJn



Dp : Konstanta Diffusi Hole (m2
/sec)
Dn : Konstanta Diffusi Elektron
x : arah gerak partikel dalam sumbu x
p)εμnq(μJpJnJ pn  (A/m2
)

9. Elektronika 9
Perangkap elektron
D
i
r
e
c
t
t
r
a
n
s
i
t
i
o
n
Kerapatan arus drift dan diffusi adalah:
x
p
DpqεpμqJp
x
n
DnqεnμqJn
p
n






Hubungan konstanta diffusi dengan mobilitas :
q
kT
μp
Dp
μn
Dn

Rekombinasi adalah kembalinya elektron ke jalur valensi karena bertemu dengan hole→
setelah rekombinasi elektron tidak bebas lagi (menjadi elektron valensi).
Rekombinasi dapat terjadi dengan beberapa cara, yaitu:
 Direct transition : peralihan langsung partikel bermuatan dari jalur konduksi ke
jalur valensi. Direct transition hanya terjadi pada jenis-jenis semikonduktor tertentu,
misal Ga As (bahan pembuat LED) dimana peralihan langsung elektron dari jalur
konduksi ke jalur valensi dengan memancarkan energi dalam bentuk cahaya.
 Trapping Level : elektron kembali ke jalur valensi melalui satu atau lebih tingkat
energi menengah. Tingkat energi yang menyebabkan elektron kembali ke jalur
valensi disebut perangkap (Trap).
Tingkat perangkat dekat jalur konduksi → perangkat elektron
Tingkat perangkat dekat jalur valensi → perangkat hole.
Jalur konduksi
Jalur valensi
Perangkap hole
Perangkap elektron
D
i
r
e
c
t
t
r
a
n
s
i
t
i
o
n

10. Elektronika 10
 Mean Life time (life time) dari partiel bermuatan adalah waktu rata-rata untuk
terjadinya sebuah hole atau elektron bebas diantara generasi dan rekombinasi.
Biasanya dalam orde (1ns – 1ms)
SEMIKONDUKTOR EXTRINSIC
Karakter semikonduktor dapat diubah dengan menambahkan sejumlah atom impurity tertentu
ke dalam bahan semikonduktor murni (kira-kira 1:107
→1 atom impurity dalam 10 juta atom
semikonduktor murni)
Bahan semikonduktor yang telah mendapat doping ini disebut semiconductor extrinsic .
Ada 2 type semikonduktor extrinsic, yaitu :
o Type n : dibuat dengan menambahkan elemen impurity (doping) yang mempunyai 5
elektron valensi seperti: Antimony, Arsenic, phorphorus. 4 elektron (e-
) bergabung
dengan e-
valensi dari Si atau Ge membentuk ikatan kovalen. 1 elektron lagi tidak
terikat, artinya bergerak bebas dalam bahan dan bertindak sebagi donor elektron untuk
atom lain. Kelebihan e-
menyebabkan bahan bersifat negatif (dapat memberikan e-
) dan
disebut semikonduktor type n.
Atom impurity yang menimbulkan elektron donor disebut Atom donor.
Contoh : doping Antimony (sb) pada semikonduktor Si.
o Tipe P: dibuat dengan doping atom yang mempunyai 3 elektron valensi pada kristal
murni Ge atau Si, seperti Boron, Gallium, dan Indium
Si
Sb Si
SiSi
Si
SiSiSi
- -
-
---
- -
- -
- -
- -- -
- - -
-
--
-
-
1 e-
bebas dari antimony
Antimony (Sb) sbg atom impurity
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

11. Elektronika 11
Pada struktur ikatan atom yang baru terdapat kekurangan satu elektron untuk
membentuk ikatan dengan 8 elektron pada lintasan terluar (istilah lainnya: terdapat 1
hole) → bahan menjadi semikonduktor Tipe P, Hole bersifat sebagai akseptor terhadap
e-
bebas → atom yang menimbulkannya disebut atom akseptor.
Hole dapat berpindah dari suatu atom ke atom lain (hole dapat diisi oleh e-
bebas).
Konsentrasi Pembawa :
 Dalam bahan semikonduktor, pembawa muatan adalah hole dan elektron
 Pada semikonduktor tipe p pembawa muatan mayoritas (jumlah besar) adalah hole dan
elektron sebagai pembawa muatan minoritas.
 Type-N → pembawa mayoritas : elektron
→ pembawa minoritas : Hole
 Untuk semikonduktor intrinsik → konsentrasi hole sama dengan konsentrasi elektron,
maka dominasi pembawa muatan mayoritas dan minoritas tidak dapat dibedakan.
+
+
+
+ +
+
+ +
+ +
-
-
-
- -
+
+ -
- -
Tipe n
+
+ +
+
+
+
+
+
+
Tipe p
Mayoritas carrier
(pembawa mayoritas)
Minoritas carrier
Ion donor Ion akseptor
Gambar (a)
Si
B Si
SiSi
Si
SiSiSi
- -
-
---
- -
- -
- -- -
- - -
-
--
-
Kekurangan 1 elektron
(=Hole)
Boron (B) sbg atom impurity
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

12. Elektronika 12
+
+
+
+ +
+
+ +
-
- -
- -
-
- -
Tipe n Tipe p
Mayoritas carrier
(pembawa mayoritas)
Minoritas carrier
Ion donor Ion akseptor
-
Mayoritas carrier
Gambar (b)
Gambar (a) dan gambar (b) menunjukkan konsentrasi pembawa muatan dengan dua cara
penyajian yang berbeda.
Penggunaan Semikonduktor
No. Semikonduktor Penggunaan
1. Barium Titanate Thermistor (PTC)
2. Bismuth Telluride Konversi Thermoelectric
3. Cadmium Sulphide Photoconductive cell
4. Galium Arsenide Dioda, Transistor, LED, Dioda Laser, Generator
microwave
5. Germanium Dioda, transistor
6. Indium Antimonide Magnetaresistor, piezoresistor, inframerah,
Radiation detector
7. Indium Arsenide Piezoresistor
8. Lead Sulphide Infrared-radiation detector
9. Lead Telluride Infrared-radiation detector
10. Metallie Oxides Thermistor (NTC)
11. Silicon Dioda, transistor, rangkaian terintegrasi (IC)
12. Silicon Carbide Varistor (Voltage Sensitive resistor)
13. Zinc Sulphide Electroluminescent device