1. DIODE SEMIKONDUKTOR 1.1 Bahan Semikonduktor

Bahan semikonduktor adalah bahan yang mempunyai level konduktiviti

(kemampuan menghantarkan arus listrik) diantara bahan konduktor dan isolator.

Kebalikan dari konduktiviti adalah resistansi , yaitu kemampuan menahan arus listrik.

Semakin tinggi level konduktiviti maka semakin rendah level resistansi. Istilah

resistivity (rho, yunani) biasanya digunakan untuk membandingkan level resistansi

material. Resistivity suatu material diukur dalam satuan Ω-m atau Ω-cm.

cmcmcm

lRA

⋅Ω=⋅Ω

==2

ρ

Tabel berikut menunjukkan beberapa nilai resistivity bahan-bahan konduktor,

semikonduktor dan isolator.

Tabel 1.1 Nilai Resistivity Beberapa Material

Jenis Bahan Resistivity

Konduktor Tembaga 10-6 Ω-cm

Silikon 50 x10-3 Ω-cm Semikonduktor

Germanium 50 Ω-cm

Isolator Mika 1012 Ω-cm

Jadi, bahan semikonduktor mampu menghantarkan listrik lebih baik daripada

isolator, tapi lebih rendah dibandingkan konduktor.

Dilihat dari struktur atom, atom terdiri dari sejumlah elektron, proton, dan

neutron. Nukleus (inti-atom) mengandung proton ( bermuatan positif) dan neutron (

tidak bermuatan). Elektron (bermuatan negatif) beredar di sekeliling nukleus. Setiap

atom cenderung mempunyai jumlah elektron dan proton yang sama. Model Bohr dari

dua bahan semikonduktor yang paling umum, germanium (Ge) dan silikon (Si),

ditunjukkan pada gambar 1.1.

Ge

Si

Gambar 1.1 Struktur atom germanium dan silikon

Atom silikon mempunyai 14

elektron yang mengelilingi inti atom,

dan germanium mempunyai 32

elektron, masing-masing dengan 4

elektron valensi (elektron pada orbit

terluar). Germanium dan silikon juga

disebut atom tetravalent karena

mempunyai 4 elektron valensi.

Gambar 1.2 (a) Ikatan Kovalen atom silikon (b) kristal atom silikon

Dalam kristal murni silikon dan

germanium, ke-4 elektron valensi ini

terikat pada 4 atom lain yang ada di

dekatnya. Ikatan suatu atom, diperkuat

dengan ikatan elektron bersama, disebut

ikatan kovalen (covalent bonding)

Elektron bersama

(a)

Si Si

Si

Si

Si

Si Si

Si Si

Si

Si Si

Si

Si Si

Si Si

(b)

Walaupun ikatan kovalen menghasilkan ikatan yang lebih kuat antara elektron

valensi dengan inti atomnya, tapi masih memungkinkan bagi elektron valensi untuk

menyerap cukup energi kinetik dari lingkungannya yang mengakibatkan putusnya ikatan

tersebut. Energi ini bisa berasal dari cahaya dalam bentuk energi photon atau energi

panas dari lingkungan sekitarnya. Akibatnya elektron akan berada dalam kondisi bebas.

Dalam kondisi bebas ini, pergerakan elektron menjadi sensitif terhadap medan listrik

yang diberikan. Pada suhu kamar, ada sekitar 1,5 x 1010 elektron sebagai carrier bebas

dalam 1 cm3 silikon intrinsik.

Intrinsik material adalah semikonduktor yang telah dimurnikan untuk

mengurangi impurities (pengotoran oleh atom lain).

Pada suhu yang sama, germanium memiliki sekitar 2,5 x 1013 elektron bebas.

Jadi pada suhu kamar, germanium adalah konduktor yang lebih baik dibandingkan

silikon. Tapi, dalam kondisi intrinsik, keduanya masih merupakan konduktor yang

buruk.

Meningkatnya jumlah elektron dalam bahan semikonduktor akan meningkatkan

level konduktansinya. Peningkatan ini bisa dilakukan dengan menaikkan suhu

bahan atau dengan melakukan penyinaran pada bahan.

1.2 Extrinsik Material

Metode yang paling baik untuk meningkatkan konduktansi bahan semikonduktor

adalah dengan pemberian impurities (pengotoran kemurnian oleh atom lain) pada bahan

semikonduktor intrinsik. Proses seperti ini disebut dengan proses doping. Impurities ini,

walaupun diberikan hanya satu dalam 10x106 atom silikon akan menaikkan

konduktansinya dengan faktor 105 pada suhu kamar. Peningkatan level konduktansi

adalah sebanding dengan jumlah atom impurities per unit volume.

Bahan semikonduktor yang telah dikenakan proses doping disebut material

extrinsik.

Ada dua tipe material ektrinsik yang sangat penting dalam fabrikasi piranti

semikonduktor, yaitu tipe-n dan tipe-p.

Material Tipe-n

Material ekstrinsik tipe-n diperoleh dengan pemberian atom impurities dengan 5

elektron valensi (pentavalent), seperti antimony, arsenic, dan phosphorus pada kristal

murni silikon atau germanium. Efek dari doping semacam ini ditunjukkan pada gambar

berikut (menggunakan antimony sebagai impurity dalam basis silikon).

(a) Sb(51) (b)

Gambar 1.3.

(a) Atom Antimony (Sb) dengan 5 elektron valensi

(b) Impurity antimony dalam material tipe-n

Keempat ikatan kovalen masih ada,

tapi ada elektron ke-lima dari antimony

yang tidak ber-asosiasi dengan suatu ikatan

kovalen tertentu. Elektron ini, terikat

lemah dengan atom induknya (antimony),

dan relatif bebas bergerak dalam material

tipe-n yang terbentuk. Karena pemberian

atom impurity mendonorkan satu elektron

bebas, maka impurity dengan 5 elektron

valensi disebut dengan atom donor. Ikatan kovalen Si

Impurity donor memberikan elektron bebas

Sb Si

Si

Si

Material Tipe-p

Material tipe-p dibentuk dengan memberikan doping pada kristal silikon ataupun

germanium murni dengan atom impurities yang mempunyai 3 elektron valensi

(trivalent). Elemen yang paling umum digunakan adalah boron, gallium, dan indium.

Efek dari salah satu elemen ini (boron pada basis silikon) ditunjukkan pada gambar 1.4

berikut.

(a) B (5)

(b) Boron dalam basis silikon

Gambar 1.4. (a) Atom trivalent (boron) (b) Material tipe-p

Dalam material tipe ini, jumlah elektron

tidak cukup untuk membentuk ikatan kovalen.

Akibatnya, ada satu ikatan yang kekurangan

elektron. Kekurangan ini disebut hole, yang

digambarkan sebagai lingkaran putih. Karena

tidak adanya muatan negatif, maka hole

bermuatan positif.

Atom impurity dengan 3 elektron valensi

disebut acceptor.

Si Si Si

Si

B Si Si

Si

Impurity acceptor menghasilkan hole

Perlu ditekankan bahwa walaupun dalam material ekstrinsik terdapat sejumlah

besar carrier bebas, secara elekrik bahan tersebut masih netral, karena jumlah muatan

positif proton dalam nukleus/inti atom masih sama dengan jumlah muatan negatif

elektron yang bebas dan yang masih terikat dengan intinya. Dan lagi, jika impurities

tipe-n dan tipe-p dalam jumlah yang sama diberikan pada suatu kristal silikon murni,

tidak akan memberikan dampak terhadap konduktivitas karena kedua tipe muatan carrier

akan berekombinasi.

Jika suatu elektron valensi mendapat cukup energi kinetik untuk memutuskan

ikatan kovalennya dan mengisi kekosongan yang diciptakan oleh hole, maka suatu

kekosongan/hole yang baru akan terbentuk pada ikatan kovalen yang ditinggalkan oleh

elektron tersebut. Karena itu, arah pergerakan elektron dan hole akan berlawanan. Kalau

ada elektron bergerak ke kiri, maka ada hole yang bergerak ke kanan. Untuk arus listrik,

arah arus yang digunakan adalah arah konvensional yang sesuai dengan arah pergerakan

hole.

Dalam kondisi intrinsik, jumlah elektron bebas dalam silikon dan germanium

hanya sedikit, yaitu elektron valensi yang lepas dari intinya karena memperoleh cukup

energi dari suhu lingkungannya ataupun dari cahaya. Kekosongan yang ditimbulkan

dalam struktur ikatan kovalen memberikan hanya sedikit holes. Dalam material tipe-n,

jumlah holes tidak mengalami perubahan berarti dibandingkan dengan dalam kondisi

intrinsik, sehingga jumlah elektron jauh melebihi jumlah hole. Untuk alasan ini :

Dalam material tipe-n, elektron disebut majority carrier dan hole disebut

minority carrier. Sebaliknya untuk material tipe-p, hole adalah majority carrier

dan elektron adalah minority carrier.

Kalau ada elektron kelima dalam atom donor meninggalkan atom induknya,

maka atom akan menjadi bermuatan positif, dan disebut ion donor. Sebaliknya dalam

material tipe-p, atom yang menerima elektron baru menjadi bermuatan negatif dan

disebut ion acceptor.