Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalahsilikon, germanium, dan gallium arsenide. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). memberikan pengertian bahan semikonduktor. penjelasan tentang bahan semikonduktor intrinsik, konduksi dalam semikonduktor, dan semikonduktor ekstrinsik. serta memberikan gambaran tentang semikonduktor tipe - p dan semikonduktor tipe - n.

1. BAHAN SEMIKONDUKTOR
Pengertian
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada
di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan
setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada
temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat
sebagai konduktor.
Bahan
semikonduksi
yang
sering
digunakan
adalahsilikon, germanium, dan gallium arsenide. Semikonduktor sangat berguna
dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan
menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron).
 Semikonduktor Intrinsik
Atom-atom semikonduktor yang mempunyai empat elektron valensi tersusun
sebagai kristal tetrahedral oleh adanya ikatan kovalen dengan mekanisme
hantarannya digunakan gambaran dua dimensi susunan kristalnya. Lingkaran dengan
tanda +4 melukiskan ion semikonduktor yakni atom beserta elektron-elektronnya
selain empat elektron valensi. Ikatan kovalen dilukiskan dengan garis lengkung
dengan dua elektron valensi di dalamnya. Pada suhu 0 K, elektron valensi terikat erat
dengan ikatan kovalen dan tidak ada elektron bergerak bebas. Kalau suhu kristal
dinaikkan sehingga ada elektron yang kenaikan tenaga termalnya melebihi celah
tenaga maka elektron-elektron ini akan meloncat ke bidang konduksi menjadi
elektron bebas.

2. Kalau pada suatu ikatan kovalen terbentuk lubang maka elektron valensi dari atom yang
berdekatan akan melepaskan diri dari ikatan kovalen untuk mengisi lubang tersebut.
Elektron ini akan meninggalkan lubang pada tempat yang ditinggalkan. Maka lubang
akan bergerak dengan arah yang berlawanan dengan elektron. Maka semikonduktor
intrinsik pada suhu 0K bersifat sebagai isolator, dan pada suhu yang sangat tinggi
bersifat sebagai konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan
lubang yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan.
•
Atom-atom Si, Ge
(Kelompok IV dalam susunan
Kristal silikon/germanium
Ikatan kovalen
berkala)
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
e
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
A
A
(a) Susunan atom pada SK silikon intrinsik
ionisasi
•
B
(b) Atom Si di A mengalami
Pada suhu amat rendah (∼ 0o) semikonduktor intrinsik bersifat sebagai isolator 

3. setiap elektron terikat pada atom  tak ada muatan bergerak meski diberi medan
listrik  (tak ada arus walaupun diberi selisih potensial).
•
•
Pada suhu kamar  banyak elektron valensi lepas dari ikatan kovalennya →
elektron evalensi menjadi elektron bebas oleh eksitasi termal. Makin tinggi suhu
kamar, makin banyak elektron valensi lepas. Jika diberi muatan listrik E (beri
selisih potensial)  elektron bebas bergerak → mengalir arus listrik. Makin tinggi
T, makin besar I, makin kecil R.
Ketika elektron lepas (bebas) oleh eksitasi termal → atom mengalami ionisasi.
Atom tersebut menjadi ion positif (lihat gambar – pada posisi atas Si atau di A).
Oleh pengaruh medan listrik, atau A (ion Si di A) dapat menangkap elektron dari
atom lainnya (misalnya atom Si di B). Atom A akan dinetralkan dan atom B
menjadi ion positif → terjadi perpindahan letak muatan positif dari A ke B  ini
merupakan arus listrik juga.
Atom Si yang terionkan dapat dipandang sebagai zarah semu yang bermuatan
positif  bebas bergerak oleh pengaruh medan listrik. Zarah semu ini disebut
lubang (hole).
Elektron yang dilepaskan dari ikatan kovalen disebut elektron intrinsik, dan lubang
yang terjadi oleh lepasnya elektron intrinsik disebut lubang intrinsik.
Kesimpulan: pada semikonduktor intrinsik, aliran listrik disebabkan oleh
gerak/perpindahan elektron intrinsik dan lubang intrinsik.
•
Konsentrasi elektron intrinsik dan lubang intrinsik bergantung pada bahan dan
suhu. Pada kristal Ge, elektron valensi lebih mudah tereksitasi termik menjadi
elektron bebas → dapat dijelaskan dengan meninjau pita-pita energi untuk elektron
di dalam kristal SK. Pita penting: pita valensi dan pita konduksi, dan celah pita
(bandgap) dengan nilai 1,2 eV untuk semikonduktor silikon (ionisiasi mulai pada
suhu 400 K) dan 0,78 eV untuk semikonduktor Germanium (ionisasi mulai pada
suhu 250 K). Sifat konduksi antara silikon dan germanium amat berbedas.
kosong
pita konduksi
← daerah terlarang
penuh
penuh
pita valensi
↑
berlaku untuk semikonduktor pada suhu ∼ 0o K
(semua elektron dalam ikatan kovalen)

4. Ek
Ev
Keadaan pada suhu kamar (elektron yang mengalami eksitasi termal termal menjadi
elektron bebas bagaikan meloncat ke pita konduksi). Diperlukan energi 1,2 eV (untuk
Si) atau 0,78 eV (untk Ge), untuk masuk.
•
Elektron yang telah berada dalam daerah energi pita konduksi akan bebas bergerak di
bawah pengaruh medan listrik E yang diberikan. Gaya listrik pada elektron tersebut:
F= eE
Tambahan energi yang didapat: ΔW = F.Δx = eEΔx
•
Kebergantungan konsentrasi elektron intrinsik (ni) pada suhu T mengikuti hubungan:
ni = AT3/2 e-Wgo/2kT, atau dalam bentuk:
ni = AT3/2 exp (-Wgo/2kT)
(1)
Wgo: lebar celah pita pada 0o K
Ingat statistik MB
•
Konsentrasi pembawa mauatan bebas ni tak berubah dengan waktu, pada hal
pembawa bebas terus terbentuk oleh eksitasi termal  mengapa? Jawab: adanya
rekombinasi antara elektron dan hole  tertangkapnya elektron oleh ion silikon
(elektron masuk kembali ke dalam ikatan kovalennya  elektron jatuh kembali ke
lubang dan lubang menjadi tertutup. Ada fenomena lain yang muncul, yaitu pelepasan
energi ketika terjadi rekombinasi  dapat berubah menjadi getaran atau cahaya 
dapat diamati pada nyala lampu LED.
Peluang/kemungkinan terjadinya rekombinasi ∼ nipi (hasil kali banyak elektron bebas
dan hole bebas).
→
Makin banyak terjadi elektron dan lubang makin sering terjadinya
rekombinasi.
→
Terjadi keadaan mantap (keseimbangan) antara terbentuk dan sinarnya
pembawa muatan bebas, sehingga kerapatan pembawa muatan bebas tak lagi berubah
dengan waktu.

5. 01.
Konduksi dalam Semikonduktor
• Hubungan kerapatan pembawa muatan bebas dengan sifat konduksi dalam
semikonduktor. Ingat: I =
ΔQ
(jumlah muatan yang mengalir melalui suatu
Δt
penampang tiap satuan waktu).
Gerak muatan tidak lurus karena tumbukan dengan atom-atom dalam kristal.
E→
Bila ada beda potensial  timbul medan
E → elektron dan lubang bergerak dalam
arah berlawanan → timbul arus listrik
dalam arah searah gerak lubang +
←+→
A
Kerepatan rata-rata gerak pembawa
muatan ini disebut kecepatan hanyut
(drift velocity) v
v Δt
Dalam waktu Δt:
→ Tersapu volume sebesar A v Δt
→ Berpindah pembawa muatan sebanyak nA v Δt
→ Berpindah muatan sebesar qnA v Δt (q = besar muatan tiap pembawa muatan).
Jadi arus yang mengalir:
I=
qnAvΔt
=qnAv
Δt
Dan rapat arusnya:
J=
•
I
= qnv
A
(2)
Besar arus listrik sama sepanjang batang konduktor  v juga akan tetap besarnya.
Mengapa kecepatan tak bertambah padahal ad gaya medan F yang tetap pada muatan
(ingat hukum Newton II: F = ma → a =
F
, adalah persepatan yang ditimbulkan oleh
m
gaya F).
Jawab: karena ada tumbukan dalam gerak muatan  pengaruhnya, analog dengan gerak
benda jatuh dalam zat cair kental  ada kecepatan terminal yang sebanding dengan gaya
berat (v ∼ FW). Dengan analogi ini (vterminal analog dengan vhanyut), sehingga:

6. v ∼ E → v = μE
(3)
μ = mobilitas pembawa muatan bebas, μ besar → v besar → I besar.
Rumus rapat arus (3.2) menjadi:
J
= ngμE atau
J
= σE (bentuk hukum Ohm: dari sini dapat diturunkan V = IR,
l
dengan R = ρ A dan ρ =
1
= hambatan jenis).
σ
σ = nqμ disebut konduktivitas
Elektron dan lubang tidak sama
↓
↓
μn
μp
Konduktivitas semikonduktor
σ = qnμn+ qpμp = q(nμn+ pμp)
(4)
dengan n = rapat elektron; p = rapat lubang
Untuk semikinduktor intrinsik: ni = pi
Untuk semikonduktor ekstrinsik umum m ≠ p.
μ juga bergantung pada suhu.
Contoh: Bahan Gepada
30 oK → μn = 3900
cm 2
cm 2
; μ p = 1900
volt. sec
volt. sec
T: 100-300o K, μn = 4,9 x 107T -1,66
T: 125-300o K, μp = 1,05 x 109T-2,33
Bahan Si pada
T 30o K  μn = 1350
cm 2
cm 2
; μp = 1480
volt. sec
volt. sec
T: 160-400oK  μn = 2,10 x 109T -2,5
T : 150-400oK  μp = 2,3 x 109T -2,7

7.  Semikonduktor Ekstrinsik
Ada sisipan atom
Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor ekstrinsik
Lainnya
Sisipan atom
sisipan atom akseptor
(misalnya Ga)
Donor (misalnya As)
Semikonduktor tipe-p
Semikonduktor tipe-n
Valensi 5
Valensi 3
(Gol. V)
(Gol. III)
4 elektron masuk dalam
3 elektron masuk dalam
ikatan kovalen, 1 elektron
ikatan kovalen, 1 tempat
bebas
kosong
Disebut elektron ekstrinsik
hole (lubang)
(kerapatannya ne)
ekstrinsik (rapatnya ρe)
Untuk menyusun devais elektronik diperlukan bahan yang kaya akan satu jenis pembawa
muatan saja yaitu lubang saja atau elektron saja. Untuk itu diperlukan doping, yakni
memasukkan atom asing bervalensi 5 atau 3 dengan prosentasi kecil sehinga dihasilkan
semikonduktor ekstrinsik.
Adapun semikonduktor terbagi atas 2 yaitu semikonduktor tipe n dan semi kondutor tipe
p. Pada semikonduktor tipe n diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 5, seperti
fosfor(P), arsen(As), dan antimon(Sb), kedalam semikonduktor intrinsik. Atom valensi 5 ini
disebut sebagai atom donor karena dalam membentuk ikatan kovalen dibebaskan kelebihan
elektronnya. Atom donor setelah membebaskan satu elektron valensi menjadi ion positif yang
terikat ditempat

8. Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-p
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
As
Si
Si
Ga
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
Atom donor menjadi
ion positif (berlaku
Elektron ekstrinsik
Kosong, menjadi lubang
(bebas tak terlihat)
intrinsik
sebagai muatan
Atom akseptor menjadi ion
tak bebas)
negatif (bila elektron masuk ke lubang)
Semikonduktor Tipe-n
•
Atom donornya hampir seluruhnya terion pada suhu 50 oK (suhu kamar). Antara 110o K –
4000oK, kerapatan elektron tetap → seluruh atom donor telah terionisasi → n e = Nd
(kerapatan elektron ekstrinsik = kerapatan ion sudah ada elektron intrinsik dan hole
intrinsik, tepi belum berarti.

9. Rapat pembawa muatan
bebas
X1022
10
Si
8
n
p
6
4
2
0
100
200
300
400
500
T(oK)
Rapat pembawa muatan bebas (n dan p) pada semikonduktor tipe-n sebagai fungsi
suhu
• Pada suhu 450o K elektron intrinsik dan hole intrinsik mulai berarti.
• Pada suhu > 500o K → jumlah elektron bebas praktis sama dengan jumlah lubang
bebas (karena hampir semua elektron telah lepas dari ikatan kovalennya).
Semikonduktor intrinsik menjadi bersifat intrinsik (karena n ∼ p).
• Nampak pada suhu kamar pada semikonduktor jumlah elektron bebas jauh lebih
besar dari jumlah lubang. Elektron tersebut hampir seluruhnya berasal dari atom
donor yang telah terionisasi. Elektron bebas di dalam semikonduktor tipe-n disebut
pembawa muatan mayoritas, dan lubang disebut pembawa muatan minoritas.
Jadi ada 4 jenis pembawa muatan pada semikonduktor tipe-n, yaitu:
(1) Elektron ekstrinsik, dengan rapat ne (berasal dari atom donor yang mengalami
ionisasi).
(2) Ion donor (+), dengan kecepatan Nd  terikat di tempat.
(3) Elektron intrinsik, dengan rapat ni (berasal dari tepatnya ikatan kovalen).
(4) Lubang intrinsik, dengan rapat ρi (terjadi pada ikatan kovalen yang ditinggalkan oleh
elektron yang telah menjadi elektron intrinsik → berfungsi sebagai pembawa muatan
positif.
• Konduktivitas semikonduktor ekstrinsik tipe-n:
τn = q(μnNn+μpρn)
(5)
Pada suhu kamar rapat pembawa muatan intrinsik(ni dan pi) jauh << rapat pembawa

10. muatan ekstrinsik, dan seluruh atom donor telah terionisasi  Nn
τn = qμnNd
≅
Nd.
(6)
ρn: rapat lubang pada semikonduktor tipe-n, pada suhu kamar  sangat kecil dan tak
sama dengan pi karena adanya rekomendasi → praktis dapat diabaikan terhadap Nd
• Laju rekombinasi ∼ Nnpn
Tapi, pada suhu kamar, pembawa muatan bebas yang ada praktisnya berasal dari
ionisasi atom Si yang membentuk elektron intrinsik dan lubang intrinsik. Jadi laju
rekombinasi untuk semikonduktor ekstrinsik sama seperti pada semikonduktor
intrinsik.
Nnpn = nipi = ni2 = pi2
(7)
Maka rapat pembawa minoritas di dalam semikonduktor tipe-n adalah:
Pi2
Pi2
Pn =
→ Pn =
Nn
Nd
(8)
02.
Semikonduktor Tipe-p
• Atom Ga yang disisip ke dalam bahan semikonduktor intrinsik, mudah menangkap
elektron  menjadi ion negatif (tak bebas bergerak). Atom sisipan tersebut (valensi
3) disebut atom akseptor.
• Pada semikonduktor tipe-p, lubang (holes) seagai pembawa muatan utama disebut
sebagai pembawa muatan mayoritas, dan elektron bebas sebagai pembawa muatan
minoritas.
Dengan cara analogi seperti pada semikonduktor tipe-n, konduktivitas
semikonduktor tipe-p dapat ditulis sebagai:
τp = q(μppp + μnNp) → τp
≅
qμpNa
(9)
Pp adalah rapat lubang pada semikonduktor tipe-p (yaitu lubang ekstrinsik karena
masuknya atom akseptor dan lubang intrinsik yang timbul karena lepasnya elektron
dari ikatan kovalen oleh eksitasi termal). Pada suhu kamar, rapat lubang ini praktis
sama dengan konsentrasi atom akseptor Na, karena hole yang muncul oleh eksitasi
termal belum berarti, karena di samping jumlahnya masih sedikit, terjadi pula
rekombinasi sehingga Np < ni, dan praktis dapat diabaikan.
Laju rekombinasi di sini adalah PpNp. Tapi pada suhu kamar, hampir semua muatan
bebas yang terbentuk berasal dari ionisasi atom silikon yang membentuk elektron
intrinsik dan lubang intrinsik (lihat grafik pada gambar di halaman 5). Jadi lau
rekombinasi muatan intrinsik pada semikonduktor tipe-p adalah sama seperti pada
semikonduktor intrinsik, maka J:

11. PpNp = niPi = ni2 → Np =
2
ni
n2
n2
dan Np = i = i (10)
Pp
Pp
Na
Referensi: Wagania,Hans.2008. “Modul-3.1 Semikonduktor”. Unima