Semikonduktor

PENDAHULUAN

A.      LATAR BELAKANG

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tatacara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spefikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron).

B.       TUJUAN

      Dapat memahami kristal bahan semikonduktor

      Dapat memahami  ikatan kovalen

      Dapat memahami  konsep elektron bebas dan lubang

      Dapat memahami  semikonduktor tipe P dan N dan sifatnya

      Dapat mengenal contoh piranti elektron semikonduktor seperti Diode, Transitor dan LED

PEMBAHASAN

A.      KRISTAL BAHAN SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor sangat berguna dalam  bidang elektronik, karena

konduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa

disebut doping). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen

elektronika seperti dioda, transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor

sangat luas pemakainnya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir

tahun 1940-an. Oleh karena itu semikonduktor dipelajari secara intensif dalam

fisika zat padat. Namun dalam makalah ini hanya dibahas sifat fisis dasar

semikonduktor saja.

Dalam menyajikan sifat fisis dasar semikonduktor, makalah ini membahas

rapat elektron dan hole, yakni partikel pembawa muatan dalam semikonduktor.

Makalah ini juga membahas pengaruh ketakmurnian pada rapat elektron dan hole.

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si),

germanium (Ge) dan GaliumArsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun. belakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke-dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon.

a.       Klasifikasi Semikonduktor

Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.

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, perhatikan gambar 1.

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, pada  T=0K pita valensi semikonduktor 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.

 

B.       IKATAN KOVALEN

Ikatan kovalen merupakan ikatan yang terbentuk karena pemakaian pasangan elektron bersama. Untuk menggambarkan bagaimana ikatan kovalen terjadi digunakan rumus titik elektron (struktur lewis).

1.         Ikatan kovalen Tunggal (ikatan kovalen yang melibatkan sepasang elektron untuk dipakai bersama). Contoh : ikatan yang terjadi pada molekul H2 

 

2.         Ikatan kovalen rangkap dua (ikatan kovalen yang melibatkan dua pasang elektron untuk dipakai bersama). Contoh : ikatan yang terjadi pada molekul oksigen
O=O

3.         Ikatan kovalen rangkap 3 (ikatan kovalen yang melibatkan tiga pasang elektron untuk dipakai bersama). Contoh : ikatan yang terjadi pada molekul Nitrogen. Sifat umum senyawa kovalen:

·         Titik lebur dan titik didih yang rendah

·         Tidak  dapat menghantarkan arus listrik , akan tetapi senyaw akovalen polar dalam bentuk larutan dapat menghantarkan listrik.

4.         Pada umumnya lunak

5.         Tidak larut dalam air

6.         Larut dalam pelarut nonpolar

 C.       KONSEP ELEKTRON BEBAS DAN LUBANG

Elektron Bebas dan HoleSuatu efek agitasi seperti kenaikan temperatur akan menghasilkan getaranpada inti atom sehingga berakibat ikatan kovalen akan pecah dan diikuti olehlepasnya elektron-elektron. Elektron yang lepas dari ikatannya ini dikenal sebagaiElektron Bebas yang bermuatan negatip, sedangkan tempat yang ditinggalkan olehelektron akan membentuk suatu muatan positip, dimana tempat tadi disebut sebagaikekosongan atau dikenal dengan nama lain Hole. Gambar 1.4. memperlihatkanelektron bebas dan hole pada susunan atom unsur silikon.

Misalkan ada beberapa atom silikon yang saling berdekatan seperti gambar 1.3, maka elektron-elektron yang saling berdekatan akan menjalin ikatan yangdikenal sebagai Ikatan Kovalen (Covalent-Bond).B.Elektron Bebas dan HoleSuatu efek agitasi seperti kenaikan temperatur akan menghasilkan getaranpada inti atom sehingga berakibat ikatan kovalen akan pecah dan diikuti olehlepasnya elektron-elektron. Elektron yang lepas dari ikatannya ini dikenal sebagaiElektron Bebas yang bermuatan negatip, sedangkan tempat yang ditinggalkan olehelektron akan membentuk suatu muatan positip, dimana tempat tadi disebut sebagaikekosongan atau dikenal dengan nama lain Hole. Gambar 1.4. memperlihatkanelektron bebas dan hole pada susunan atom unsur silikon.Pada temperatur kamar (±270C) enerji panas sudah mampu untukmembebaskan elektron dari ikatan kovalen, sehingga dengan perkataan lain dengantemperatur kamar sifat silikon yang pada kondisi semula bersifat sebagai penyekatsempurna dapat berubah menjadi penghantar arus listrik. Dikarenakan daya hantar  jenis bahan semikonduktor murni sangat rendah, maka guna memperbesar dayahantar tersebut dapat dilakukan dengan proses pencampuran dengan unsur lain dengan maksud untuk memperbanyak terjadinya elektron-elektron bebas dan hole.Istilah pencampuran ini dike nal dengan nama pengotoran (Impurity) atau Doping.Elektron bebas dan hole yang terjadi disebut juga sebagai pembawa muatan(Charge-Carrier).

D.    Dapat memahami  semikonduktor tipe P dan N dan sifatnya

a.      Tipe N semi konduktor

Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi empat didoping dengan atom lain yang valensinya lebih tinggi (misalnya valensi 5), maka molekul bahan campuran tersebut akan mengalami kelebihan satu elektron, selanjutnya elektron ini merupakan elektron bebas (lihat gambar -3 diatas).

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

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

b.      Tipe P semi konduktor

Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi 4, didoping dengan atom yang bervalensi 3, maka pada pencampuran ini akan terjadi kekurangan elektron atau akan terdapat lubang (hole). Seperti halnya pada N-type semi konduktor, maka doping ini dilakukan dengan pemanasan, sehingga setiap atom dapat menyesuaikan dirinya dengan baik dan akan membentuk kristal.

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, dan jenis bahannya dinamakan P-type semi konduktor. 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).

E.     Mengenal contoh piranti elektron semikonduktor seperti Diode, Transitor dan LED

a.       Dioda

Jika dua tipe bahan semi konduktor yaitu type-P dan type-N digabung menjadi satu, maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda.  Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung begitu saja, melainkan dari satu bahan semi konduktor diberi doping (impurity material) yang berbeda.

Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), maka tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P,  karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Hal itu menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).

Contohnya: D = 1N4001

b.      Transistor
Perkataan transistor sebenarnya adalah gabungan perkataan transfer dan resistor. Ia adalah komponen elektronik yang juga dibina dari bahan Semikonduktor ( Semiconductor ). Transistor TR atau Q juga mempunyai pelbagai nombor siri. Sebagai contoh TR = 2N2222.Litar Sepadu ( Integrated Circuits ).
Litar Sepadu ( IC ) adalah komponen elektronik yang mengabungkan pelbagai komponen elektronik contohnya transistor dan diod. Seperti diode dan transistor, Litar Sepadu juga mempunyai nomor seri. Contohnya

c.       LED

Diode pancaran cahaya (bahasa Inggris: light-emitting diode; LED) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju.Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesensi. Warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat.

Contohnya:

 

DAFTAR PUSTAKA

Kittel, C.1976.Introduction to Solid State Physics.USA.John wiley & Sons.

Parno, Drs. 2002. Pendahuluan Fisika Zat Padat. Malang: FMIPA Universitas Negeri Malang.

Sutrisno. 1986. Elektronika Teori Dan Penerapannya. Bandung: ITB.

Wiendartun. Diktat Fisika Zat Padat I. UPI Bandung.

www.id.wikipedia.org