BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Semikonduktor adalah suatu susunan Kristal yang mempunyai sifat

kelistrikanmenyerupai konduktor atau menyerupai isolator dalam keadaan tertentu

(suhu atau medan listrik). Sekelompok ahli fisika zat padat, fisika teori, fisika

instrumentrasi, fisik-kimia dan tekhnik elektronika, yaitu Block, Mott, Schottky,

Slater, Sommerfeld, VanVelck Wigner dan Wilson, selama percobaan pada bulan

desember 1947, menemukan suatu komponen elektronika yang terdiri dari Kristal

germanium yang pada permukaannya ditanamkan 2 kawat emas.

Dari hasil pengamatan diketahui, bahwa pada salah satu kawat emas

timbul tegangan keluaran yang lebih besar dibandingkan dengan tegangan

masukan pada kawat emas yang lainnya. Gejala inilah yang selama ini dicari dan

ditunggu-tunggu olehBrattain dan Bardeen. Saat ditemuannya komponen ini

disebut sebagai kelahiran komponen zat padat (semikonduktor), dan komponen ini

diberi nama transistor titik kontak (point-kontak transistor). Transistor ini bekerja

kurang baik, actor penguatannya rendah, lebar daerah frekuensinya rendah, sangat

bising (noisy)dan parameter antar satu transistor dengan yang lainnya sangat

bervariasi.

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui pengertian semikonduktor

2. Untuk mengetahui Bahan pembuat semikonduktor

3. Untuk mengetahui Tipe-tipe semikonduktor

4. Untuk mengetahui doping dan pita energi semikonduktor

1

BAB II

TINJAUAN TEORITIS

2.1 Pengertian Semikonduktor

Dalam pengertian umum bahan semikonduktor adalah bahan yang

bersifatsetengah konduktor karena celah energi yang dibentukoleh struktur

bahan ini lebih kecil dari celah energibahan isolator tetapi lebih besar dari

celah energi bahankonduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindahdari

satu atom penyusun ke atom penyusun lain denganperlakuan tertentu terhadap

bahan tersebut (pemberiantegangan, perubahan suhu dan sebagainya).

Olehkarena itu semikonduktor bisa bersifat setengahmenghantar.

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor merupakan material

zat padat yang memiliki harga resistivitas antara 10-2–109 Ω.cm.

Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti

dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah

konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. 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.

Bahan semikonduktor memegang peranan penting dalam teknologi

modern. Hampir semua komponen dalam peralatan elektronik seperti

mikroprosessor, IC-IC, dioda, laser, display, dan sebagainya adalah bahan

semikonduktor. Setiapbahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis

tertentu sehingga dalam aplikasinya harusmerujuk pada karakteristik fisisnya

tersebut. Sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinarultraviolet yang tingkat

sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memilikienergi gap

yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap

sekitar3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor

ultraviolet namundivais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.

2

2.2 Bahan Pembuat Semikonduktor

Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali

dieksplorasiadalah germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor

yang banyak diteliti untukbahan baku pembuatan divais elektronik maupun

optoelektronik adalah silikon denganpertimbangan bahan silikon cukup

melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selainsilikon material lain

yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golonganII-VI

atau III-V seperti dalam tabel periodik di bawah baik binary (paduan 2 unsur)

maupunternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb,

AlGaN, AlGaSb,GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan

tersebut masing-masing memilikiciri khas dan keunikan tersendiri baik dari

sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinyadapat disesuaikan dengan

karakteristik fisisnya masing-masing.Bahan semikonduktor itu antara lain

alumunium arsanide,alumunium gallium arsanide,boron nitride,cadmium

sulfide,cadmium selenide,berlian, gallium arsanide,gallium

nitride,germanium,indium phosphide,silicon,silicon carbide,silicon

germanium,silicon on insulator,zinc sulfide,zinc selenide.

Gambar 1. Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor

3

Gambar2. Bahan pembuat semikonduktor berbentuk wafer

Orbital-orbital elektron dalam kristal semikonduktor terbagi dalam dua

kelompok pita energi. Pita yang memiliki energi rendah dinamakan pita valensi

sedangkan pita yang memiliki energi tinggi dinamakan pita konduksi. Pita valensi

dan pita konduksi dibatasi oleh nilai-nilai energi yang tidak boleh ditempati

elektron. Daerah terlarang tersebut dinamakan celah energi. Lebar celah energi

didefinisikan sebagai selisih antara energi terendah dalam pita konduksi dengan

energi tertinggi dalam pita valensi, atau dapat dituliskan:

Eg = Ec – Ev

Dimana:

Eg = lebar celah pita energi

Ec = energi terendah dalam pita konduksi

Ev = energi tertinggi dalam pita valensi

Aliran muatan listrik dalam bahan semikonduktor terjadi jika ada elektron

yang meloncat dari pita valensi ke pita konduksi. Dalam pita valensi, elektron

tidak dapat mengalir bebas dalam logam sehingga mudah mengalir ketika diberi

medan listrik. Dalam pita valensi, elektron tidak dapat mengalir bebas meskipun

diberikan medan listrik yang besar. Pada suhu mendekati nol Kelvin tidak ada

elektron yang sanggup meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sehingga

semikonduktor bersifat isulator. Jika suhu dinaikkan maka ada elektron dari pita

valensi yang meloncat ke pita konduksi. Makin tinggi suhu makin banyak elektron

yang meloncat ke pita konduksi sehingga konduktivitas semikonduktor makin

besar.

4

Ketika elektron meloncat ke pita konduksi maka pita valensi menjadi

kekurangan elektron. Lokasi yang ditinggalkan elektron seolah berperilaku

sebagai partikel bermuatan positif. Partikel ini dinamakan hole. Dalam bahan

semikonduktor murni, jumlah elektron yang meloncat ke pita konduksi persis

sama dengan jumlah hole yang terbentuk di pita valensi. Dengan demikian, jika ne

adalah konsentrasi elektron pada pita konduksi dan nh adalah konsentrasi hole

pada pita valensi maka untuk semikonduktor murni terpenuhi:

ne = nh

Bahan semikonduktor untuk aplikasi industri umumnya bukan

semikonduktor murni, tetapi semikonduktor yang didop dengan atom tertetu.

Doping tersebut menyebabkan terjadinya perubahan konsentrasi elektron dan hole

yang tidak lagi memenuhi persamaan di atas. Jika atom dopan pada

semikonduktor memberikan sumbangan elektron pada material sehingga menjadi

atom yang bermuatan positif maka dikatakan atom tersebut sebagai donor

(pemberi elektron). Sebaliknya jika atom dopan pada semikonduktor menarik

elektron dari pita valensi sehingga menjadi atom yang bermuatan negatif maka

dikatakan atom tersebut sebagai akseptor. Jika jumlah atom donor lebih banyak

dari atom akseptor maka dinamakan semikonduktor tersebut bertipe negatif.

Sebaliknya jika jumlah akseptor lebih banyak daripada jumlah atom donor maka

dinamakan semikonduktor bertipe positif.

Karena elektron adalah fermion maka distribusi elektron pada pita

konduksi memenuhi fungsi distribusi Fermi-Dirac:

f e ( E )= 1

e[ E−μ

kT ]+1

Populasi elektron pada pita konduksi adalah:

N e=∑CB

f e ( E )

dan jumlah hole pada pita valensi adalah:

Nh=∑VB

{1−f e ( E ) }=∑VB

f h ( E )

dengan:

5

f h ( E )=1−f e ( E )=1− 1

e[ E−μ

kT ]+1

¿ e[ E−μ

kT ]

e[ E−μ

kt ]+1

¿ 1

e[ μ−E

kT ]+1

Hukum Aksi Massa

Sekarang kita hitung perkalian ne dan nh.

ne nh=nc e[−( Ec−μ )

kT ]×nv e

[−( μ−Ev )kT ]

¿ (nc nv) e[−( Ec−E v)

kT ]

¿ (nc nv) e[−E g

kT ]

Untuk semikonduktor murni berlaku ne = nh = ni. Dengan demikian,

konsentrasi pembawa muatan intrinsik dapat ditentukan dari persamaan di atas

sebagai:

ni2=(nc nv ) e

[−Eg

kT ] atau ni=(nc nv )12 e

[−E g

2kT ]

Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang

sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Hal ini

dapat terjadi karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi

penuh oleh elektron, dan ketika dalam temperatur yang tinggi akan ada ikatan-

ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron-elektron bebas.

2.3 Model Ikatan Atom pada Bahan Semikonduktor

Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling

berdekatan dansaling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal

yang disebut ikatan kovalen.Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut,

6

di bawah ini digambarkan terbentuknyaikatan kristal pada bahan silikon.

Gambar 3a menunjukkan ilustrasi ikatan kovalen dari atom silikon pada

kondisi temperatur nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom

silikonmenyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen.

Apabila kristal semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata

lain temperaturnya dinaikan, maka penambahan energi termal tersebut dapat

menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini dapat membangkitkan pasangan

elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari keadaan valensi ke

keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan

menjadi hole seperti nampak pada gambar 3b.

Gambar 3. Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur

nol Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin

2.4 Model Pita Energi Semikonduktor

Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron

valensi padakulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 4b),

keadaan elektron valensi inimemiliki tingkat energi yang besarnya Ev. Elektron

valensi ini berkontribusi padapembentukan ikatan kovalen antara atom-atom

penyusun kristal semikonduktor. Sedangkankeadaan dimana elektron sudah

7

terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksidengan tingkat energi Ec

(gambar 4a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnyadinaikan

maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya

ikatankovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan

menghasilkan elektron bebasyang sudah dalam keadaan konduksi dengan

tingkat energi Ec.

Pada gambar 4c diilustrasikankeadaan elektron konduksi dimana setelah

terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektronvalensi pada tingkat energi Ev

akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat energiEc. Selisih antara

tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan

energicelah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi

minimal yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal

semikonduktor.

Gambar 4. Model pita energi bahan semikonduktor

8

Tabel 1. Energi gap bahan semikonduktor

2.5 Tipe Semikonduktor

Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) dan elektron berfungsi

sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus). Semikonduktor dibagi dua

berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu:

a. Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-

atom lain (atom pengotor)

b. Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan

sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis

semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari

dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N

(pembawa muatan elektron).

Semikonduktor intrinsik merupakansemikonduktor murni yang belum

diberikan atom pengotor (impuritas). Proses aliran muatan ini, yang biasa

disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa

hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel

masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah

yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”

9

Apabilasemikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk

pasangan elektron-hole dimanaelektron bermuatan negatif dan hole dapat

dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasielektron pada semikonduktor

intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan:

ni2=B T 3 e

(−E G

kT )

Keterangan:

EG = energi celah pita semikonduktor (eV)

B = konstanta bahan (untuk Si = 1,08x1031 K-3cm-6)

T = temperatur (K)

k = konstanta Boltzman (8,62x105 eV/K)

ni ≈ 1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar

Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan

konsentrasi hole-nyatidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan

muatan pembawa akibat adanya atompengotor. Sebagai contoh pemberian

atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5. Pada semikonduktor

silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yangtidak

terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini

dapatmenyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor

jenis ini dinamakansemikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh

muatan pembawa elektron seperti gambar di bawah.

10

Gambar 5. Kristal silikon yang diberi pengotor fosfor

Apabila kristal silikon diberi atom pengotor boron yang memiliki elektron

valensi 3 maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena

terdapat satu kekosongan (hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan

demikian muatan pembawa pada kristal silikon yang telah diberi pengotor boron

akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga kristal silikon akan bertipe-p

(positif) seperti gambar di bawah.

Gambar 6. Kristal silikon yang telah diberi atom pengotor boron

11

Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau

lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium

murni (lihat gambar). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa

digunakan diperlihatkanpada tabel 2.

Tabel 2. Elemen semikonduktor pada tabel periodik

Semikonduktor tipe-n

Semi konduktor tipe N termasuk dalam semi konduktor ekstrinsik (tak

murni). Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan perbandingan atom

pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara 1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1

juta. Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa muatan saja

(Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk memperbesar daya hantar

listrik.Semikonduktor tipe N ialah semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari

semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5

seperti As, Pb, P. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat

kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-atom asli.

Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak terikat dalam ikatan

kovalen sehingga menjadi elektron bebas. Dengan demikian pada bahan ini

jumlah elektron bebas akan meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga

elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang terbentuk

akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas. Karena pembawa muatan

mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang elektron bebas bermuatan negatif,

12

maka semikonduktor yang terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. dalam

hal ini N kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi

tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif. Semikonduktor ini tetap

netral.

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil

atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni.

Atom-atompengotor (doping) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga

secara efektif memilikimuatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen

menempati posisi atom silikondalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi

yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang

tidak berpasangan (lihat gambar 7).

Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan

menjadi elektronbebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran

listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor

tipe-n karenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.

Karena atom pengotormemberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut

sebagai atom donor. Secaraskematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti

terlihat pada gambar 7.

13

Gambar 7. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi

limamenggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur

pita energisemikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi

atom donor.

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tipe N inidinyatakan

dengan nn sedang konsentrasi holenya dinyatakan denganpn dan konsentrasi atom

donor dinyatakan dengan ND maka berlaku:

nn ≈ND

Menurut hukum massa aksi hasil kali konsentrasi pembawamuatan positif

dengan pembawa muatan negatif dalam keseimbangantermal merupakan suatu

tetapan yang tidak bergantung pada donor danaseptor yang besarnya n22. Maka

berdasarkan hukum ini berlaku

nn pn ≈ ND

Pn=n22

nn

=n 22

N D

Daya hantar jenis listriknya dapat dicari dari hubungan sebagai berikut :

σ=e (nn μn+Pn μn)

14

σ=e (N D μn+n2

2

N D

μp)

jika Pn diabaikan terhadapnnmaka :

σ=e N D μn

Semikonduktor tipe-p

Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yangdikotori

dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau Ga.Karena perbandingan

atom pengotor dengan atom asli sangat kecil,maka setiap atom pengotor hanya

bervalensi 3 maka hanyamenyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga

adakekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian pengotoran ini

menyebabkan meningkatnya jumlah hole. Sedang pembawamuatan minoritasnya

adalah elektron bebas yang terbentuk adalahelektron bebas yang terbentuk akibat

suhu. Karena hole bermuatan positif maka semikonduktoryang terbentuk disebut

semikonduktor tipe P.Seperti halnya semikonduktor tipe N,semikonduktor tipe p

bermuatan netral.karena atom pengotor menyediakan kekurangan, maka disebut

aseptor(atom aseptor).

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tope P inidisebut np,

konsentrasi holenya pp dan konsentrasi aseptornya NA makaanalog pada

semikonduktor tipe N berlaku persamaan-persamaan :

Pp NA

np pp=n22

np=n2

2

pp

=n2

2

N A

np pp

σ=e (N A μp+n2

2

N A

μn)Dan jika np diabaikan terhadap Pp maka

σ=e N A μ p

15

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor

tipe-p dapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor trivalen

(aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya

silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi

sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah

atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga

ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang

tidak berpasangan (lihat gambar 8) yangdisebut lubang (hole). Material yang

dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-p karena

menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom

pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor

(acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkanseperti terlihat

pada gambar 8.

Gambar 8. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi

tigamenggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur

pita energisemikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi

atom aseptor.

2.6 Tipe Arus Listrik pada Semikonduktor

16

Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi

karakteristiklistrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi

pada semikonduktor yaituarus hanyut (drift) dan arus difusi.

1. Arus hanyut (drift)

Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel

bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan

laju yang berbanding lurus dengan medan listriknya.

vn = -µnE .......... laju hanyut elektron

vp = µpE ............laju hanyut

dimana:

vn dan vp = laju dari elektron dan hole (cm/s)

µn dan µp = mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)

Rapat arus drift untuk elektron adalah:

jn = q n µn E

Rapat arus drift untuk hole adalah:

jp = q p µp E

Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari

rapat arus drift elektron dengan rapat arus drift hole.

jT = jn + jp = q (n µn + p µp)E = σ E

Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:

σ = q(n µn + p µp)

Dan resistivitasnya ρ = 1/σ

2. Arus Difusi

Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.

Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah

yang memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan

gradien konsentrasi yang dirumuskan:

Arus difusi untuk hole:

jPdiff=(+q ) DP(−∂ p

∂ x )=−q D p∂ p∂ x

Arus difusi untuk elektron:

17

jndiff=(−q ) Dn(−∂ n

∂ x )=+q Dn∂ n∂ x

Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron

Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift

dengan arus difusi yang dirumuskan:

Rapat arus total untuk elektron:

jnT=q μnnE+q Dn

∂ n∂ x

Rapat arus total untuk hole: j pT=q μ p pE−q D p

∂ p∂ x

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena

konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa

disebut pendonor elektron).

2.7 Struktur Bahan Semikonduktor

Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273

°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron

valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah

unsur.Silikon dan germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak

digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak

digunakan daripada gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu

tinggi.

Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau

semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt

(eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk

berpindah pada beda potensial sebesar 1 V. Satu elektron volt setara dengan

1,60x10-19 J. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk

memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi

ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72

eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan

energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika

yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.

18

2.8 Doping Semikonduktor

Gambar 9. 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

doping.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.

2.9 Pita Energi Semikonduktor

Diagram pita energi untuk germanium dan silikon mirip dengan intan

dengan perbedaan celah energi hanya sekitar 1 eV. Konfigurasi atom Ge [Ar]

3d10 4s2 4p2 dan Si [Ne] 3s2 3p2; kedua macam atom ini memiliki 4 elektron di

tingkat energi terluarnya. Tumpang-tindih pita energi di tingkat energi terluar

akan membuat pita energi terisi penuh 8 elektron. Karena celah energi sempit

maka jika temperatur naik, sebagian elektron di pita valensi naik ke pita

konduksi mudah dan dengan meninggalkan tempat kosong (hole) di pita

valensi. Baik elektron yang telah berada di pita konduksi maupun hole di pita

valensi akan bertindak sebagai pembawa muatan untuk terjadinya arus listrik.

Konduktivitas listrik naik dengan cepat dengan naiknya temperatur.

19

Gambar 10. Diagram pita energi semikonduktor

Konduktivitas listrik tersebut di atas disebut konduktivitas

intrinsik. Konduktivitas material semikonduktor juga dapat ditingkatkan

dengan penambahan atom asing tertentu (pengotoran, impurity). Jika atom

pengotor memiliki 5 elektron terluar (misalnya P atau As) maka akan ada

kelebihan satu elektron tiap atom. Kelebihan elektron ini akan menempati

tingkat energi sedikit di bawah pita konduksi (beberapa perpuluh eV) dan

dengan sedikit tambahan energi akan sangat mudah berpindah ke pita

konduksi dan berkontribusi pada konduktivitas listrik. Atom pengotor

seperti ini disebut donor(karena ia memberikan elektron lebih) dan

semikonduktor dengan donor disebut semikonduktor tipe n.

Jika atom pengotor memiliki 3 elektron terluar (misalnya B atau

Al) maka akan ada kelebihan satu holetiap atom. Kelebihan holeini akan

menempati tingkat energi sedikit di atas pita valensi dan dengan sedikit

tambahan energi akan sangat mudah elektron berpindah dari pita valensi

ke holedi atasnya dan meninggalkan holedi pita valensi yang akan

berkontribusi pada konduktivitas listrik. Atom pengotor seperti ini disebut

akseptor(karena ia menerima elektron dari pita valensi) dan semikonduktor

dengan akseptor disebut semikonduktor tipe p. Untuk membuat perubahan

konduktivitas yang memadai di material semikonduktor, cukup

ditambahkan sekitar 1 pengotor per sejuta atom semikonduktor.

2.10 Contoh soal dan Penyelesaian

1. konsentrasi atom Ge adalah 4,41×1022 atom/cm3. Jika tiap 108 atom Ge

dikotori 1 atom donor, dan μn = 3800 cm2/Vs, tentukan σ !

20

Penyelesaian:

N D=1

108/ 4,41 x 1022=4,41 x1022

108 =4,41 x 1014 atomcm3

σ=e N D μn

¿1,6 x10−19 x4,41 x 1014 x3800

¿0,268(Ωcm)-1

21

BAB III

KESIMPULAN

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor. Merupakan material zat padat yang

memiliki harga resistivitas antara 10-2–109 Ω.cm. Semikonduktor disebut juga

sebagai bahan setengah penghantar listrik.Unsur-unsur yang banyak digunakan

sebagai bahan semikonduktoryaitu alumunium arsanide,alumunium gallium

arsanide,boron nitride,cadmium sulfide,cadmium selenide,berlian, gallium

arsanide,gallium nitride,germanium,indium phosphide,silicon,silicon

carbide,silicon germanium,silicon on insulator,zinc sulfide,zinc selenide.

Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu:

c. Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-

atom lain (atom pengotor)

d. Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan

sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis

semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari

dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N

(pembawa muatan elektron).

22

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, Mikrajuddin. Pengantar Fisika Statistik. 2009. Bandung:Penerbit ITB

Blocher, Ricard. D. Phys. 2003. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi off Set

Irawan, Agus dkk. 2002. Pintar Elektronika. Pekalongan : CV. Bahagia

http://www.slideshare.net/mansen3/bahan-semikonduktor

http://blog.ub.ac.id/bleng2/2012/02/26/teori-semikonduktor/

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor

http://www.edukasi.net/index.php?mod=script&cmd=Bahan%20Belajar/Materi

%20pokok/view&id=338&uniq=3331

http://www.file-edu.com/2012/11/soal-dan-jawaban-zat -padat.html?m=1#!

23