Semikonduktor

A.    Semikonduktor

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC (Integraated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si) dan Germanium (Ge). (Modul TTLE)

Silicon dan germanium 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.

Pada struktur atom silikon murni terdapat tiga lapisan yaitu lapisan dalam mempunyai dua elektron, lapisan tengah mempunyai delapan elektron dan lapisan luar mempunyai empat elektron. Sedangkan pada struktur atom germanium murni, terdapat empat lapisan masing-masing mengandung dua, delapan, delapan belas dan empat elektron.

Ikatan kovalen yang terjadi adalah sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar untuk membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Dapat dikatakan bahwa pada temperatur kamar, bahan semikonduktor murni mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi, oleh karena itu merupakan bahan isolator. Tahanan jenis bahan semikonduktor akan turun dengan naiknya temperatur.

Untuk mempersiapkan bahan semikonduktor 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 semikonduktor dicampur dengan bahan lain. (Anonimus, 2011)

Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua, yaitu :

1.      Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya  Si saja atau Ge saja.  Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya.

Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus.Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan.

Menurut teori pita energi,  pita valensi semikonduktor=pada  0 K T terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 -3,7eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV. Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyebrangi celah energi. Elektron valensi pada atom Gelebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron,dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang, kedua pita terisi sebagian, dan daat menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik.

2.      Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya  dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Proses penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran (doping). Dengan menambahkan atom pengotor (impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan berubah. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian. Dalam aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping ketidakmurnian ke dalam semikonduktor.

Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n Semikonduktor dengan konsentrasi elektron lebih besar dibandingkan konsentrasi holedisebut semikonduktor ekstrinsik tipe-n. Semikonduktor tipe-n menggunakan semikoduktor intrinsik  dengan menambahkan atomdonoryang berasal dari kelompok V pada susunan berkala, misalnya Ar (arsenic), Sb (Antimony), phosphorus (P).

Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal semikonduktor konsentrasi elektron pada Si dan Gedapat dinaikkan dengan proses doping unsur valensi 5. Sisa satu elektron akan menjadi elektron bebas, jika mendapatkan energi yang relatif kecil saja (disebut sebagai energi ionisasi). Elektron ini akan menambah konsentrasi elektron pada pita konduksi. Elektron yang meninggalkan atom pengotor yang menjadi ion disebut dengan elektron ekstrinsik. Keberadan impuriti donor digambarkan dengan keadaan diskrit pada energi gap pada posisi didekat pita konduksi. (Rio Suryana, 2013)