BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Atom – atom di alam cenderung bergabung dengan atom yang lain membentuk

molekul atau membentuk ion-ion kecuali golongan gas mulia. Pada proses penggabungan

atom tersebut terdapat gaya yang bekerja, sehingga antara atom – atom atau ion – ion

tersebut dapat terikat satu sama lain. Gaya yang bekerja pada gabungan atom atau ion

disebut ikatan kimia. Salah satu ikatan kimia tersebut adalah ikatan logam. Ikatan logam

adalah ikatan yang terbentuk akibat adanya gaya tarik – menarik antara muatan positif dari

ion – ion logam dengan muatan negatif dari elektron – elektron bebas bergerak dalam

logam tersebut. Ikatan logam adalah ikatan yang disebabkan oleh adanya elektron valensi

suatu logam yang tidak terarah dan tumpang tindih orbital valensi dari atom-atom logam.

Akibatnya elektron-elektron yang ada pada orbitalnya dapat berpindah ke orbital valensi

atom tetangganya.

Dari ikatan logam yang terbentuk ini mengakibatkan logam-logam memiliki beberapa

sifat. Salah satu sifat logam akibat dari terbentuknya ikatan logam ini adalah sifat hantar

listrik dan panas. Arus listrik yang berjalan melalui suatu logam merupakan gerakan

elektron yang mengalir dari satu ujung ke ujung lain yang berarti logam memiliki elektron

yang bersifat dapat bergerak bebas dari satu ujung ke ujung yang lain. Sehingga Logam

dapat menghantarkan arus listrik dan panas. Berdasarkan daya hantar listrik, logam dibagi

menjadi tiga yaitu logam konduktor, isolator dan semikonduktor. Yang membedakan

antara tiga jenis logam ini adalah pengisian pita valensi dan besarnya energi pemisah

antara pita penuh dan pita kosong.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Apa yang dimaksud dengan bahan semikonduktor?

2. Bagaimanakah susunan atom semikonduktor?

3. Bagaimanakah proses pembentukan semikonduktor?

4. Apa saja bahan-bahan yang bersifat semikonduktor?

5. Bagaimanakah cara kerja semikonduktor dalam menghantarkan listrik?

6. Bagaimanakah pengelompokan semikonduktor?

7. Apa saja alat-alat yang menggunakan prinsip semikonduktor?

1

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dalam pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui pengertian bahan semikonduktor.

2. Mengetahui susunan atom semikonduktor.

3. Mengetahui proses pembentukan semikonduktor.

4. Mengetahui bahan-bahan apa saja yang bersifat konduktor.

5. Mengetahui cara kerja semikonduktor dalam menghantarkan listrik.

6. Mengetahui pengelompokkan semikonduktor.

7. Mengetahui alat-alat apa saja yang menggunakan prinsip semikonduktor.

2

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian Bahan Semikonduktor

2.1.1 Pengertian Umum

Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor

murni. Bahan ini sifatnya berada diantara insulator dan konduktor. Bahan –

bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik

sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya

dapat bergerak bebas.

2.1.2 Pengertian Khusus

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di

antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator

pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat

sebagai konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini

memang bukan konduktor murni. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai

isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan

bersifat sebagai konduktor.

Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk

menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-

ujung sebuah konduktor, muatan-muatan bergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus

listrik. Konduktivitas listrik didefinsikan sebagai ratio dari rapat arus terhadap kuat

medan listrik :

.

Pada beberapa jenis bahan dimungkinkan terdapat konduktivitas listrik yang

anisotropik. Lawan dari konduktivitas listrik adalah resistivitas listrik atau biasa disebut

sebagai resistivitas saja, yaitu ;

Insulator adalah materi yang dapat mencegah penghantaran panas, ataupun muatan

listrik. Lawan dari insulator, adalah konduktor, yaitu materi yang dapat menghantar panas

Untuk sejenis polimer, silikone.3

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda,

transistor, dan sebuah IC (integrated circuit). Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi,

timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang

sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga

dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-).

Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut

nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-

elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke 29, berada pada orbit paling

luar.

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini

dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya jauh dari

nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan sedikit energi saja elektron terluar

ini mudah terlepas dari ikatannya.

Gb 1. Ikatan logam Cu

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah

dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-

elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Fenomena ini

yang dinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi

sebanyak 8 buah dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-

elektron ini.

Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki

elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling semikonduktor

unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

2.2 Susunan Atom Semikonduktor

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

Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-

4

satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. 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.

Gb 3. Tabel bahan 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). Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing

memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8

elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen

dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0°K). Struktur atom

silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

Gb 4. struktur dua dimensi kristal Silikon.

5

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke

inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena

tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar,

ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan

elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas,

sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba

memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan

untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen,

yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.

2.3 Proses Semikonduktor

Doping semikonduktor

gb 5. diagram doping semikonduktor.

Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor.

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat

elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah

sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya

dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya,

polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam. Doping

dalam produksi semikonduktor, doping menunjuk ke proses yang bertujuan menambah

ketidakmurnian (impuritya) kepada semikonduktor sangat murni (juga disebut intrinsik)

dalam rangka mengubah sifat listriknya. Ketidakmurnian ini tergantung dari jenis

semikonduktor. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi

6

bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat

mengahantarkan listrik.

Beberapa dopant biasanya ditambahkan ketika boule ditumbuhkan, memberikan

setiap wafer doping awal yang hampir seragam. Untuk membedakan unsur sirkuit,

wilayah terpilih (biasanya dikontrol oleh photolithografi) didop lebih lanjut dengan

Proses difusi atau implantasi ion, metode kedua lebih populer dalam produksi skala besar

karena kemudahan pengontrolannya.

Jumlah atom dopant yang dibutuhkan untuk menciptakan sebuah perbedaan dalam

kemampuan sebuah semikonduktor sangat kecil. Bila sejumlah kecil atom dopant

ditambahkan (dalam order 1 setiap 100.000.000 atom), doping ini disebut rendah atau

ringan. Ketika lebih banyak atom dopant ditambahkan (dalam order 10.000) doping ini

disebut sebagai berat atau tinggi. Hal ini ditunjukkan sebagai n+ untuk dopant tipe-n atau

p+ untuk doping tipe-p.

2.4 Bahan-bahan Semikonduktor

2.4.1 Persiapan Bahan semikonduktor

Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal

diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat

tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat

memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat

kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal

(seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) menganggu properti

semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama

rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai

kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot

(bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm)

yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer.

Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur

kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah

dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik

untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan

proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih

meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona,

7

sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah

yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga

menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan.

Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction

antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari

struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar

bahan.

2.4.2 Macam-macam Semikonduktor dan Penggunaannya

No. Nama Semikonduktor Penggunaannya

1. Barium Titinate (Ba Ti) Termistor (PTC)

2. Bismut Telurida (Bi2 Te3) Konversi termo elektrik

3. Cadmium sulfide (Cd S) Sel Fotokonduktif

4. Gallium arsenide (Ga As) Dioda, transistor, laser, led,

generator gelombang mikro

5. Germanium (Ge) Diode, transistor

6. Indium antimonida (In Sb) Magnetoresistor, piezoresistor,

detektor radiasi inframerah

7. Indium arsenida (In As) Piezoresistor

8. Silikon (Si) Diode, transistor, IC

9. Silikon Carbida (Si Cb) Varistor

10. Seng Sulfida (Zn S) Perangkat penerangan elektro

11. Germanium Silikon (Ge Si) Pembangkitan termoelektrik

12. Selenium (Se) Rectifier

13. Aluminium Stibium (Al Sb) Diode penerangan

14. Gallium pospor (Ga P) Diode penerangan

15. Indium pospor (In P) Filter inframerah

16. Tembaga Oksida Rectifier

17. Plumbun Sulfur (Pb S) Foto sel

18. Plumbun Selenium (Pb Se) Foto sel

19. Indium Stibium (In Sb) Detektor inframerah, filter

inframerah, generator Hall

Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang

Si dan nomor atom 14. Merupakan unsur terbanyak kedua di bumi. Senyawa yang

8

dibentuk bersifat paramagnetik. Unsur kimia ini ditemukan oleh (Jons Jakob

Berzelius 1923) silikon hampir 25.7% mengikut berat. Biasanya dalam bentuk

silikon dioksida (silika) dan silikat. Silikon sering digunakan untuk membuat serat

optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien

dalam bentuk silikon.

2.5 Cara Kerja Semikonduktor

Dalam kinerja semikonduktor digunakan transistor sebagai contoh dari cara kerja

semikonduktor. Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang

serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik. Untuk mengerti cara kerja

semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor

dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis

(sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir

karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni

dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi

arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion)

terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak

banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator), karena pembawa muatanya

tidak bebas.

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar

ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam

jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik

akan memberikan electron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus

listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya

4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan

elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena

pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat

semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya,

pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan

terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.

9

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi

thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung

hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak

menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan

terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah

transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah

semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini

cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor

tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari

materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah

transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar

dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis

adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari

transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam

ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan

semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu

pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi

isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam

metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya.

Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa

juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam

sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di

dalam metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan

dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor

dengan doping dapat dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak.

Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu

elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari

pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini

terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang

diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua

10

diode yang disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan

menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat

dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.

2.6 Pengelompokan Semikonduktor

Semikonduktor saat ini mempunyai peranan penting di bidang elektronika dan

penggunaannya tidak terbatas pada arus lemah. Hal penting dalam semi konduktor adalah

memahami susunan pita dan atom konduksi elektroniknya baik pada bahan konduktor

maupun pada semi konduktor. Pada bahan tersebut terdapat pita konduksi maupun pita

valensi, dimana kedua pita tersebut saling menumpuk, dan pada isolator jarak keduanya

cukup jauh. Pada semi konduktor jarak keduanya tidak terlalu jauh dan ini

memungkinkan terjadinya tumpang tindih jika dipengaruhi : panas, medan magnet, dan

tegangan yang cukup tinggi. Perbandingan jarak kedua pita disebut celah energi.

Berbagai penelitian celah energi pada intan 6 ev dan intan merupakan bahan

isolator dengan resistivitas tinggi, sedangkan bahan semikonduktor mempunyai celah

energi lebih sempit daripada isolator 0,12 – 5,3 ev seperti Si sebagai salah satu bahan

semikonduktor dengan celah energi 1,1 ev.

Berdasarkan lebar dan sempitnya celah energi dari bahan-bahan intan,

semikonduktor, konduktor terlihat bahwa untuk menjadikan bahan semikonduktor agar

menghantar listrik diperlukan energi yang tidak besar. Silikon dan germanium murni

disebut semi konduktor intrinsik jika belum mendapatkan bahan tambahan, sedangkan

yang sudah mendapatkan bahan tambahan disebut ekstrinsik. Bahan tambahan yang

dimaksud arsenikum (As) atau boron (B). Bahan semikonduktor yang mendapatkan

tambahan As akan menjadi semi konduktor jenis N, sedangkan yang mendapatkan

tambahan B akan menjadi semi konduktor jenis P.

Beberapa bahan tambahan untuk semikonduktor dapat dilihat pada tabel Enegi

Ionisasi di bawah ini ;

Bahan Pengotoran

(Tipe – N)

Si (ev) Ge (ev)

Pospor

Arsen

Antimon

0,044

0,049

0,039

0,012

0,013

0,010

11

Bahan Pengotoran

(Tipe – P)

Si (ev) Ge (ev)

Boron

Aluminium

Gallium

Indium

0,045

0,057

0,065

0,16

0,010

0,010

0,011

0,011

Semikonduktor dikelompokkan menjadi dua yaitu ;

1. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-

atom lain (atom pengotor). Untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan

pita konduksi diantaranya diperlukan medan. Sebagai contoh : Si mempunyai celah

energi 1 ev. Ini diperkirakan beda energi antara dua inti ion yang terdekat dengan jarak

±1 A0 (10−10m ) . Maka dari itu diperlukan gradien medan ±1 V /10−10 m untuk

menggerakan elektron dari bagian atas pita valensi ke bagian bawah pita konduksi.

Namun gradien sebesar itu kurang praktis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi

yaitu tumpang tindih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar

ada juga beberapa elektron yang melintasi celah energi dan hal ini

menyebabkanterjadinya semi konduksi. Pada semikonduktor intrinsik, konduksi

tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh tambahan.

Kristal Si dan Ge murni adalah semikonduktor intrinsik.

Gb 6: Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar

1,1eV untuk silikon. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai

energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita

12

valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarnya energi yang diperlukan

untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi

terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi

kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat

kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai

kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya

aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari katan kovalen yang

lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan

seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.

Gb 7: Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan

kovalen yang terputus

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat

dituliskansebagai berikut:

“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel

masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang

berlawanan akibat adanyapengaruh sebagai:medan listrik”Akibat adanya dua

pembawa muatan tersebut.

13

                                               Gb 8: Celah energi

Konduktivitas (S cm-1) karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara

serentak, maka pada semikonduktor murni. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari

bagian teratas pita valensi ke bagian pita konduksi karena energi termal adalah

penyeban konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak melintasi celah

energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi – Dirac.

Karena perpindahan elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi

lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut. Suatu semi konduktor

intrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita

konduksi. Pada pemakaian elektron yang lari ke pita konduksi dari pita valensi,

misalnya karena panas dapat dipercepat menggunakan keadaan kosong yang

memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang sama lubang pita valensi juga

bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semi

konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh.

b. Semikonduktor ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit

ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat

doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan.

14

Gb 8. Elemen semikonduktor dan dopingnya

Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu tipe-N (pembawa muatan

elektron) dan semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole).

1) TIPE – N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang

pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi.

Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan

memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n.

Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

gb 9. struktur stom semikonduktor type – n.

2) TIPE – P

Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalent yaitu

unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon

memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole

ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian,

kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

15

gb 10. struktur stom semikonduktor type – p.

2.7 Alat Semikonduktor

2.7.1 Alat Semikonduktor

Alat Semikonduktor atau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen

elektronik yang menggunakan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon,

Germanium, dan Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor jaman sekarang telah

menggantikan alat thermionik (seperti tabung hampa). Alat-alat semikonduktor ini

menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya

bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous state). Alat-alat

semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentuk dicrete (potongan) seperti

transistor, diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk terintegrasi dalam

jumlah yang sangat besar (jutaan) dalam satu keping Silikon yang dinamakan

Sirkuit terpadu (IC). adapun jenis IC yang bertegangan tinggi (High Voltage IC)

adalah IC berdaya monolitik bertegangan tinggi dengan menggunakan struktur

bebas-pengancing dielektrik yang unik. Penggerak motor chip tunggal (single chip

motor driver), gate driver dan IC pencitraan ultrasound untuk aplikasi industri,

konsumen dan medis.

2.7.2 Dasar Alat Semikonduktor

Bila sebuah semikonduktor murni dan tidak ter"eksitasi" oleh sebuah input

seperti medan listrik dia mengijinkan hanya jumlah sangat kecil arus listrik untuk

berada dalam dirinya, dan ia merupakan sebuah insulator. Alasan utama mengapa

semikonduktor begitu berguna adalah konduktivitas semikonduktor yang dapat

dimanipulasi dengan menambahkan ketidakmurnian (doping, dengan pemberian

sebuah medan listrik, dikenai cahaya, atau dengan cara lain. CCD, sebagai contoh, unit

utama dalam kamera digital, bergantung pada kenyataan bahwa konduktivitas 16

semikonduktor meningkat dengan terkenanya sinar. Operasi transistor tergantung

konduktivitas semikonduktor yang dapat ditingkatkan dengan hadirnya sebuah medan

listrik.

Konduksi arus dalam sebuah semikonduktor terjadi melalui elektron yang dapat

bergerak atau bebas dan lubang. Lubang bukan partikel asli; dalam keadaan yang

membutuhkan pengetahuan fisika semikonduktor untuk dapat mengerti: sebuah lubang

adalah ketiadaan sebuah elektron. Ketiadaan ini, atau lubang ini, dapat diperlakukan

sebagai muatan-positif yang merupakan lawan dari elektron yang bermuatan-negatif.

Untuk mudahnya penjelasan "elektron bebas" disebut "elektron", tetapi harus

dimengerti bahwa mayoritas elektron dalam benda padat, tidak bebas, tidak

menyumbang kepada konduktivitas.

Bila sebuah kristal semikonduktor murni sempurna, tanpa ketidakmurnian, dan

ditaruh di suhu yang mendekati nol mutlak dengan tanpa "eksitasi" (yaitu, medan

listrik atau cahaya), dia tidak akan berisi elektron bebas dan tidak ada lubang, dan oleh

karena itu akan menjadi sebuah insulator sempurna. Pada suhu ruangan, eksitasi panas

memproduksi beberapa elektron bebas dan lubang dalam pasangan-pasangan, tetapi

kebanyakan semikonduktor pada suhu ruangan adalah insulator untuk kegunaan

praktikum. Sebagai contoh aplikasi Semikonduktor yaitu ; dioda dan transistor.

1. Dioda

Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan–pakai lem barangkali ya :),

maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada

pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah,

melainkan dari satu bahan (monolithic) dengan memberi doping (impurity material)

yang berbeda.

gb 11. simbol sambungan p-n

Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar

dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan

elektron (hole) di sisi P.

17

gb 12. forward bias.

Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada

elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan

potensial di sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah

saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener,

LED, dan Varactor.

Dioda Bertegangan Tinggi (High Voltage Diodes) Menyediakan jajaran

produk dioda daya yang serbaguna termasuk tipe dioda kaca dengan keandalan

yang tinggi, perangkat pelindung tekanan tegangan (surge suppression) untuk

melindungi peralatan elektronik (terutama dalam aplikasi otomotif) dan jenis

bertegangan tinggi untuk pengoperasian tampilan pada frekuensi tinggi. Tersedia

dalam bentuk axial lead, press-fit dan paket pemasangan permukaan (surface

mount).

2. Transistor

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai

sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal

atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik,

dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET),

memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.

Gb 13. Transistor through-hole (dibandingkan dengan pita ukur sentimeter).

Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan

itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-

turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara

18

emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan

prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi

kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 dan polar = kutup. (William

Schockley pada tahun 1951) adalah seseorang yang pertama kali menemukan

transistor bipolar.

Gb 14.Transistor NPN dan PNP.

Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang

dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2

terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia

elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier

(penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan

penguat sinyal radio. Dalam rangkaian – rangkaian digital, transistor digunakan

sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai

sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-

komponen lainnya.

19

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Berdasarkan pembahasan dapat disimpulkan bahwa :

1. Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di

antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada

temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai

konduktorSusunan atom

2. bahan semikonduktor silikon memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil

adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut

membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Ikatan kovalen yang

terjadi adalah sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar

untuk membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Ikatan kovalen menyebabkan

elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi

demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat

berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen

yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari

ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak

memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

3. Proses pembentukan bahan semikonduktor dilakukan dengan menambahkan doping.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya

dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Pemberian doping dimaksudkan untuk

mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang

diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik.

4. Contoh bahan-bahan semikonduktor yaitu Barium Titinate (Ba Ti), Bismut Telurida

(Bi2 Te3), Cadmium sulfide (Cd S), Gallium arsenide (Ga As), Germanium (Ge),

Silikon (Si), Silikon Carbida (Si Cb), Seng Sulfida (Zn S), Germanium Silikon (Ge

Si), Selenium (Se)Aluminium Stibium (Al Sb), Gallium pospor (Ga P), Indium pospor

(In P), Tembaga Oksida, Tembaga Oksida, Plumbun Sulfur (Pb S), Plumbun Selenium

(Pb Se), Indium Stibium (In Sb).

5. Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika

sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat

dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen),

20

tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge

carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam dapur

dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah

pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam

akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak.

6. Bahan semikonduktor dikelompokan menjadi 2 yaitu bahan semikonduktor intrinsik

dan ekstrinsik. Bahan semikonduktor adalah semikonduktor yang belum diisi dengan

atom lain, sedangkan semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah

ditambahkan dengan atom lain. Semikonduktor ekstrinsik dibagi menjadi 2 yaitu tipe

N dan tipe P.

7. Alat semikonduktor adalah alat yang menggunakan prinsip sifat-sifat bahan

semikonduktor. Contoh alat semikonduktor adalah dioda dan transistor.

DAFTAR PUSTAKA

21

http://nhingz-anwar.blogspot.com/2013/02/makalah-bahan-semikonduktor.html diakses pada

tanggal 28 Desember 2014 pukul 14.00 WITA.

http://webcache.googleusercontent/2006/-Semikonduktor-html diakses pada 28 Desember

2014 pukul 14.10 WITA.

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor diakses pada tanggal 28 Desember 2014 pukul

14.30 WITA.

http://putry-wahyuni.blogspot.com/2012/05/makalah-bahan-semikonduktor.html diakses pada

28 Desember 2014 pukul 15.00 WITA.

http://bima-elektro.blogspot.com/2013/05/bahan-semikonduktor-semikonduktor.html diakses

pada 28 Desember 2014 pukul 15.30 WITA.

http://serbamakalah.blogspot.com/2013/02/semikonduktor-dan-dioda.html diakses pada 28

Desember 2014 pukul 16.00 WITA.

22