1. BAHAN SEMI KONDUKTOR
adalah suatu material dengan sifat konduktivitas diantara
konduktor dan isolator, contoh Silikon (Si), Ge (Germanium).
Saat ini Si umumnya digunakan sebagai devais elektronik,
seperti dioda, transistor, IC (integrated circuit) namun GaAs
memiliki potensi yang besar untuk digunakan sebagai devais
elektronika pada masa datang, terutama ditujukan untuk
beroperasi pada frekuensi tinggi
Contoh Semikonduktor :
Dioda
LED
Transistor Bipolar
FET
Op-Amp
2. Untuk menjelaskan konduktivitas bahan sering kali menggunakan
konsep pita energi. Ada dua pita energi, yaitu pita valensi dan pita
konduksi.
Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh
elektron dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N
elektron dengan N adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron
yang tersisa akan mengisi pita konduksi. Pada suhu 0 K, pita
konduksi terisi sebagian untuk bahan konduktor, sedangkan untuk
isolator dan semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita
konduksi.
Perbedaannya terletak pada energi gap Eg yaitu selang
energi antara pita konduksi minimum dan pita valensi maksimum.
Pada bahan semikonduktor Eg ~ 1 eV, sedang pada isolator Eg ~
6 eV Secara diagramatik pita energi dari isolator, semikonduktor
dan konduktor ditunjukkan pada gambar berikut
3.
4. 1. Struktur Atom
Semikonduktor
Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki
sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu
atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron,
proton, dan elektron. Dalam struktur atom, proton dan
neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip
dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip
mengelilingi inti.
Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur
atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang
paling banyak digunakan adalah silikon dan germanium
6. Seperti Gambar 1 atom silikon memiliki elektron yang mengelilingi inti
sebanyak 14 dan germanium mempunyai 32 elektron.
Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan
jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C
dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.
Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi.
Atom silikon dan germanium masing mempunyai empat elektron valensi.
Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga
dengan atom tetra-valent (bervalensi empat).
Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga
setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron
valensi dari atom-atom yang bersebelahan.
Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi
pada Gambar 2
8. Teorema Pita Energi Kristal
Dalam sistem susunan berkala unsur-unsur, atom
Si termasuk golongan IV, jadi ada 4 elektron
pada orbit terluarnya. Masing-masing atom Si
membentuk struktur kristal dengan atom-atom
tetangganya dan elektron-elektron valensinya
membentuk ikatan kovalen, sehingga masing-maing
atom seolah-olah memiliki 8 elektron
terluar dengan 4 elektron berasal dari miliknya
sendiri sedang 4 elektron lainnya berasal dari 4
atom tetangga terdekatnya.
Susunan ini membentuk kristal silikon intrinsik
dengan muatan total = 0 coulomb
9. Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa
saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju
daerah konduksi apabila diberikan energi panas.
Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron
dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau
disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang
lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan silikon murni
(intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium.
Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak
jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan
kata lain konduktivitas bahan meningkat.
11. Bila diberi sumber DC akan ada arus listrik yaing mengalir di
dalam
kristal tsb. Elektron akan bergerak ke kutub positif sumber DC
tsb
sedangkan hole akan bergerak berlawanan arah
12. Mobilitas dan Konduktivitas
Arus listrik pada metal terjadi akibat perpindahan elektron,
sedang pada semikonduktor bergantung pada elektron
dan hole. Semikonduktor dapat di-d o p e m e nja d i:
a. dominan hole menjadi tipe-p
b. dominan elektron menjadi tipe-n
Hal ini berarti bahwa semikonduktor tipe-n memiliki jumlah
elektron bebas lebih banyak dibandingkan dengan
jumlah hole dan sebaliknya untuk tipe-p jumlah hole
lebih banyak dari jumlah. Karena itu elektron pada tipe-n
disebut pembawa muatan mayoritas dan hole adalah
pembawa muatan minoritas, sebaliknya pada tipe-p
elektron adalah pembawa muatan minoritas sedangkan
hole adalah pembawa muatan mayoritas
14. Untuk memperbesar
konduktivitas
bahan semikonduktor itu diberi doping, akibatnya bahan itu itu akan
menjadi tipe-n atau tipe-p, tergantung doping-nya, sehingga
menjadi semikonduktor ekstrinsik.
Dopan dikelompokkan sebagai:
a. donor,diberi impuritas yang bervalensi +5 (misalnya P, As,Sb)
menjadi tipe-n
b. akseptor ,diberi impuritas yang bervalensi +3 (misalnya Bo,In, Ga,
B) menjade tipe-p
Konsentrasi doping ~ 1 ppm. Dengan adanya doping maka akan
berakibat n ≠ p, sehingga konduktivitasnya menjadi :
untuk tipe-n σ d = nq μn
untuk tipe-p a p σ = p q μ
dengan n d a n p a d a lah m a s ing -m a s ing ko ns e ntra s i im p urita s untuk
donor dan akseptor
15. dengan n dan p adalah masing-masing konsentrasi
impuritas untuk donor dan akseptor.
Pada saat pemberian impuritas donor (tipe-n) akan
muncul tingkat energi yang diperbolehkan di bawah
energi pita konduksi terendah yaitu sekitar ≈ 0,01 eV
(untuk Ge) dan ≈ 0,05 eV (untuk Si). Sehingga pada
suhu kamar hampir semua elektron donor berada di pita
konduksi.
Untuk impuritas akseptor (tipe-p) juga akan muncul
tingkat energi di atas tingkat energi pita valensi tertinggi.
Karena hanya perlu energi kecil saja elektron dari pita
valensi berpindah ke tingkat energi akseptor akibatnya
akan timbul hole di pita valensi.
