SEMIKONDUKTORTugas ini dikerjakan untuk memenuhi nilai tugas matakuliah Pengantar Fisika Zat Padat

Oleh :Kelas B regulerTriana Wulandari120210102023Ratna Sari 120210102104

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKAJURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPAFAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKANUNIVERSITAS JEMBER2015

A. PENGERTIAN SEMIKONDUKTORSemikonduktor 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 yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Gallium Arsenida (GaAs).

B. Klasifikasi SemikonduktorBerdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.1. Semikonduktor IntrinsikSemikonduktor 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 electron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut tori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energy 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 Ge lebih 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 electron 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.

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.Tataran Fermi pada Semikonduktor IntrinsikUntuk menentukan letak tataran Fermi Ef pada konduktor intrinsic dapat dicari dengan fungsi distribusi Fermi-dirac:

dengan Besaran f(E) merupakan fungsi distribusi FermiDirac EF adalah energi Fermi dan k adalah tetapan Boltzmann.Pada suhu di atas 0 K jumlah elektron dalam pita hantar sama dengan jumlah hole dalam pita hantar. Jumlah elektron dalam pita hantar adalah

Dengan nn adalah konsentrasi elektron yang dinyatakan:

Dan banyaknya hole dalam pita valensi:

Dengan np adalah konsentrasi hole yang dinyatakan:

Dengan :mn* = massa efektif elektronmp* = massa efektif holeEc = tingkat energi dasar pita konduktifEv = tingkat energi puncak pita valensiEF = tingkat energi Fermi dalam struktur pita energiUntuk penyelesaian ini dibuat beberapa penyederhanaan sebagai berikut:1. Lebar pita energi sangat kecil dibandingkan dengan pita terlarang sehingga semua tataran dalam pita dapat dianggap memiliki energi yang sama2. dengan mengacu energi pada pita valensi sama dengan nol dan lebar pita terlarang itu sama dengan Eg, maka energi pada pita akan sama dengan EgBerdasarkan pandangan ini maka peluang elektron untuk berada pita hantar (E=Eg) adalah

Jumlah elektron dalam pita hantar :

Karena jumlah energi pada pita valensi diacu sama dengan nol, maka peluang hole dalam pita valensi menjadi

Jumlah hole dalam pita valensi:

Karena jumlah elektron dalam pita hantar sama dengan hole dalam pita valensi:

Sehingga Energi Fermi pada semikonduktor intrinsic adalah setengah dari energi gap:

Karena energi Fermi terletak di tengah-tengah energi gap maka kerapatan elektron maupun hole (jumlah persatuan volume) sebanding dengan:

Sehingga Ciri-Ciri yang menonjol pada Semikonduktor Intrinsik adalah: Jumlah elektron dalam pita hantar sama dengan jumlah hole dalam pita valensi Energi Fermi terletak di tengah-tengah senjang energi (energi gap) Elektron memberikan sumbangan terbesar terhadap arus, tetapi hole juga berperan penting Ada sekitar satu atom diantara 109 atom yang memberikan sumbangan terhadap hantaran listrik ini (Suwitra,1989:227)2. Semikonduktor EkstrinsikAdapun material semikonduktor ekstrinsik merupakan material semikonduktor dengan pembawa muatan yang didominasi oleh salah satu jenis saja, elektron atau hole. Semikonduktor ekstrinsik dengan pembawa muatan mayoritas elektron disebut semikonduktor tipe-n, sedangkan semikonduktor ekstrinsik dengan pembawa muatan mayoritas hole disebut semikonduktor tipe-p.a. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-nSemikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (atom bervalensi lima). Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom dalam kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (Gambar 10). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Semikonduktor ini terbentuk dengan menambahkan unsur-unsur golongan V ( N, P, As, dan Sb ) pada golongan IV ( Si, Ge, Sn, dan Pb ).

Perbedaan semikonduktor intrinsik dan semikonduktor tipe-n adalah pada semikonduktor intrinsik, terbentuknya elektron bebas disertai lubang yang dapat bergerak sebagai pembawa muatan.Sedangkan pada semikonduktor tipe-n, terbentuknya elektron bebas tidak disertai lubang tetapi berbentuk ion positif yang tidak dapat bergerak.Pada diagram tingkat energi semikonduktor tipe-n, tingkat energi elektron yang kehilangan ikatan ini muncul sebagai tingkat diskrit dalam energi gap tepat di bawah pita konduksi, sehingga energi yang diperlukan elektron ini untuk bergerak menuju pita konduksi menjadi sangat kecil. Dengan demikian, akan sangat mudah terjadi eksitasi pada suhu kamar. Tingkat energi elektron ini dinamakan aras donor dan elektron pengotor disebut donor karena elektron dengan mudah diberikan ke pita konduksiPada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole danelektron ber- rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole)semakin meningkat. Sehingga jumlah holenya menurun.Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat digambarkan seperti pada Gambar 4. Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor sangat kecil yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium. Oleh karena itu pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas

Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan positip. Sehingga digambarkan dengan tanda positip . Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas. Dan pembawa minoritasnya berupa hole (tim fakultas teknik UNY.2001:3-5). Pada T=0 k tataran energi Fermi dari semikonduktor tipe-n terletak diantara aras donor dan pita hantar, karena pada T=0 k ini semua tingkat dibawah Ef itu penuh dan dan dibawah Ef kosong, oleh karena itu pada nol mutlak ini tingkat donor semua terisi, Bila suhu tinggi, eksitasi elektron dari pita valensi ke pita hantar menyebabkan aras Fermi (Ef) berpindah kearah pusat senjang energi (suwitra,1989:231).

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor.b. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-PApabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan dipe roleh semikonduktor type p. Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium. Struktur kisi-kisi kristalsemikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 6.Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam Gambar 6adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa dipenuhi. Sedangkan tempat yang seharusnya membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole) dan bisa ditempat ioleh elektron valensi lain. Dengan demikian sebuah atom bervalensi tiga akan menyumbangkan sebuah hole. Atom bervalensi tiga (trivalent)disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron. Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral. Karena jumlah hole elektronnya sama. Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas. Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada Gambar 7. Jarak antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon. Dengan demikian hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi elektron valensi untuk menempati hole di level energi akseptor. Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi yang merupakan pembawa muatan.Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti pada Gambar8. Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadiion yang bermuatan negatip. Sehingga digambarkan dengan tanda negatip. Pembawa mayoritas berupa hole dan pembawa minoritasnya berupa elektron (tim fakultas teknik UNY.2001:5-7)

Pada T=0K tataran Fermi terletak diantara pita valensi dengan aras akseptor. Bila suhu tinggi, eksitasi elektron dari pita valensi ke pita hantar menyebabkan aras Fermi (Ef) berpindah kearah pusat senjang energi( suwitra,1989:231)

c. Sambungan P-N JunctionBanyak piranti elektronika terdiri atas junction (penyambungan) antara bahan padat baik yang sejenis maupun bahan yang tidak sama, seperti kombinasi bahan logam dengan bahan logam, bahan logan dengan bahan semikonduktor, bahan semikonduktor dengan bahan semikonduktor yang lain. Dari kombinasi bahan- bahan ini dapat dikategorikan dalam beberapa jenis junction, yakni1. HomojunctionYaitu suatu junction yang dibentuk dari varian tipe-p dan tipe-n bahan semikonduktor yang sama jenisnya, contohnya junction pada pembentukan komponen elektronika seperti diode yang dibuat dari bahan semikonduktor silikon tipe-n dan tipe-p.2. HeterojunctionYaitu junction yang terbentuk dari bahan semikonduktor yang berbeda jenisnya, contohnya junction antara bahan semikonduktor GaAs dan GaAIAs pada pembentukan laser diode, atau pembuatan LED sebagai sumber cahaya dalam sistem opto-elektronika.3. Junction logam-semikonduktorJenis ini merupakan junction antara bahan semikonduktor khususnya tipe-n yang dikontakkan dengan logam yang mempunyai fungsi kerja yang lebih tinggi, contohnya logam emas yang didoping dengan antimoni (dengan presentasi yang kecil/sedikit) dipadukan dengan bahan semikonduktor silikon tipe-n sehingga membentuk lapisan n pada permukaan semikonduktor. Terbentuknya lapisan n ini akan menambah sifat kontak ohmik yang lebih baik pada bahan semikonduktor ini.d. P-N Junction Dalam KesetimbanganP-N junction semikonduktor dibuat dengan menyambungkan dua buah bahan semikon-duktor tipe-n dan tipe- p.Proses doping menyebabkan energi Fermi pada daerah tipe-p berada antara energi pita valensi dan pita konduksi dengan posisi lebih dekat ke pita valenai, sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik tipe-n dengan jumlah elektron lebih banyak energi Ferminya lebih tinggi dibandig pada tipe-p dan berada disekitar pita konduksi, Setelah kedua tipe semikonduktor ekstrinsik dijunction, kedua energi Fermi masing-masing tipe-p dan tipe-n sama besarnya Jumlah lubang dalam tipe-p lebih banyak dari tepi-n ( karena proses pembentuk semikonduktor ektrinsik/terdoping, sehingga terjadi difusi lubang dari daerah tipe-p ke daerah tipe-n, dan sebaliknya elektron akan berdifusi dari daerah tipe-n kedaerah tipe-p. Keadaan ini terjadi disekitar junction kedua bahan semikonduktor daerah ini dikenal dengan daerah deplesi. Adanya proses difusi pada daerah junction menimbulkan medan listrik induksi atau potensial kontak / potensial difusi diantara dua daerah dan pita energi tipe- p bergeser relatif terhadap tipe-n sebesar e. Potensial kontak terjadi pada daerah transisi/deplesi. Besarnya potensial kontak tergantung pada temperatur dan tingkat doping.C. Fungsi Distribusi Fermi-Dirac pada SemikonduktorPenerapan fungsi distribusi Fermi-Dirac pada semikonduktor terdapat pada pengisian pita energi dalam semikonduktor. Dimana elektron dari pita konduksi yang akan mengisi pita valensi pada semikonduktor harus memiliki besar energi melebihi energi gap dari semikonduktor itu sendiri, sehingga bahan tersebut akan terkonduksi dan akan menghantarkan arus listrik.Diagram pita energi untuk material semikonduktor mirip dengan material isolator akan tetapi berbeda pada lebar celah energinya. Celah energi pada semikonduktor hanya sekitar 1 eV. Germanium dan silikon adalah material semikonduktor. Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2 dan Si [Ne] 3s2 3p2; kedua macam atom ini memiliki 4 elektron di tingkat energi terluarnya. Tumpangtindih 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 dengan meninggalkan tempat kosong (hole) di pita valensi. Keadaan ini digambarkan pada Gambar 4. 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. Pada temperatur kamar, sejumlah electron terstimulasi thermis dan mampu naik ke pita konduksi dan meninggalkan hole (tempat lowong) di pita valensi. Konduktivitas listrik tersebut di atas disebut konduktivitas intrinksik. 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 kepita 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 hole tiap atom. Kelebihan hole ini akan menempati tingkat energi sedikit di atas pita valensi dan dengan sedikit tambahan energi akan sangat mudah elektron berpindah dari pita valensi ke hole di atasnya dan meninggalkan hole di 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.D. Semikonduktor amorfSemikonduktor amorf merupakan divais semikonduktor yang menggunakan bahan dalam keadaan amorf (tanpa bentuk), jadi bukan dalam keadaan kristal. Semikonduktor amorf dapat diperoleh dari bentuk selaput tipis dengan penguapan atau dari supercooling. Dalam semikonduktor amorf, baik elektron maupun hole dapat membawa arus namun pembawa ditujukan untuk memperkuat sejumlah kecil struktur yang acak. Artinya lintasan bebas menjadi terurut dari jarak antar atom rata-rata. Dekat pita dengan keadaan yang sangat berbeda terjadi lokalisasi dan konduksi oleh proses termal.E. Pengaruh Termoelektrik pada SemikonduktorTermoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan mengkonversi energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik) (Sibit Denniswara, 2015) .

Anggap sebuah semikonduktor dengan suhu yang dipertahankan konstan sementar medan listrik dapat menembusnya dengan kecepatan arus ja . Jika arus hanya dibawa oleh elektron maka fluks muatan yaitu...... 1Energi rata-rata yang ditransformasikan oleh elektron menunjukan tingkat energi Fermi ,

Dimana Ec adalah energi pada pita konduksi. Kita menunjukan tingkat energi Fermi karena permukaan kontak yang berbeda pada konduktor memiliki tingkatenergi yang sama. Fluks energi yang disertai fluks muatan yaitu...... 2

Koefisien Peltier didefinisikan oleh hubungan , yaitu energi yang dibawa setiap oleh tiap satuan muatan. Untuk elektron,...... 3

Dan negatif karena fluks energi berlawanan arah dengan fluks muatan. Untuk Hole...... 4

dimana v E adalah energi pada pita valensi. Dan...... 5Dan positif. Persamaan (3) dan (5) merupakan hasil yang sederhana dari teori kecepatan drift; perlakuan dari persamaan transformasi Boltzmann memberikan perbedaan yang kecil. Kekuatan Termoelektrik absolut Q didefinisikan dari rangkaian terbuka medan listrik yang diciptakan oleh gradien temperatur....... 6Koefisien Peltier dihubungkan dengan kekuatan termoelektrik oleh...... 7Ini merupakan hubungan Kelvin yang terkenal tentang kesetimbangan dalam Termodinamika.F. Konsentrasi Elektron dan Hole pada Sambungan pnPada sambungan sisi p terdapat hole bebas dan (-) atom pengotor akseptor yang diionisasi dengan konsentrasi sama dan secara keseluruhan bersifat netral. Pada sambungan sisi n terdapat elektron bebas dan sejumlah atom pengotor donor yang diionisasi. Pembawa mayoritas pada sisi p adalah hole dan pada sisi n adalah elektron Gambar 2a. Dalam keadaan kesetimbangan termal dengan konsentrasi pembawa mayoritas kecil dibanding pembawa minoritas. Konsentrasi hole dalam sisi p seperti berbaur memenuhi kristal secara uniform. Elektron akan segera berdifusi dari sisi n tetapi difusi balik listrik terjadi secara netral. Sesegera mungkin muatan kecil ditransfer oleh difusi yang terjadi, yaitu di belakang sebelah kiri pada sisi p kelebihan atom akseptor yang diionisasi dan pada sisi n kelebihan atom donor yang diionisasi (Gambar. 2b). Lapisan ganda pada uatan menciptakan medan listrik secara langsung dari sisi n ke sisi p yang mencegah terjadinya difusi dan mempertahankan pemisahan kedua jenis pembawa muatan. Karena lapisan ganda potensial elektrostatis dalam kristal naik pada daerah sambungan. Potensial elektrokimia*) untuk kristal dan sambungan adalah konstan sekalipun pada sambungan terdapat kenaikan potensial elektrosatatis. Pada kesetimbangan termal partikel neto yang mengalir (baik hole maupun elektron) adalah nol. Untuk arus disesuaikan dengan gradien potensial kimia dan bukan dengan gradien potensial listrik saja. Gradien konsentrasi tepatnya akan menghilangkan gradien potensial elektrostatis. Voltmeter megukur perbedaan potensial elektrokimia sehingga voltmeter yang dihubungkan dengan kristal terbaca nol.Bahkan dalam kesetimbangan termal aliran arus elektron akan sangat kecil jnr dari daerah n ke daerah p dimana elektron mengakhiri hidupnya dengan cara rekombinasi dengan hole. Arus rekombinasi ini setimbang oleh arus jng elektron yang dihasilkan secara termal dalam daerah p dan yang berdifusi ke daerah n:

Sebaliknya elektron akan menumpuk pada salah satu sisi penghalang.

*)potensial elektrokimia untuk masing-masing pembawa dimana-mana konstan dalam kesetimbangan termal. Untuk hole konstan , dimana p konsentrasi hole dan potensial elektrostatis. Kita dapat melihat p akan rendah jika tinggi. Sama halnya untuk elektron konstan, n akan rendah jika rendah.

Gambar.1Sebuah sambungan p-n yang terbuat dari kristal tunggal yang diubah menjadi dua bagian yang terpisah. Atom pengotor akseptor dimasukan ke dalam salah satu bagian untuk menghasilkan daerah p dimana pembawa muatannya adalah hole. Atom pengotor donor dimasukan ke dalam satu bagianya lagi untuk menghasilkan daerah n dimana pembawa muatannya adalah elektron. Tebal daerah pemisah mungkin kurang dari 10-14cm.

(b)Gambar 2.Keterangan gambar 2: (a) Perbedaan konsentrasi elektron dan hole pada sambungan (voltase nol diterapkan). Pembawa berada dalamkesetimbangan termal dengan atom pengotor akseptor dan donor sehingga konsentrasi elektron dan hole adalah konstan diseluruh bagian kristal sesuai dengan hukum aksi massa. (b) potensial elektrostatis dari ion akseptor (-) dan ion donor (+) dekat sambungan. Gradien potensial memisahkan difusi hole dari sisi p ke sisi n dan memisahkan elektron dari sisi n ke sisi p. Medan listrik di daeah sambungan disebut medan listrik pembangunan.G. Potensial Elektron Statis dari Elektron Acceptor dan Elektron DonorSemikonduktor tipe-n dibuat dari bahan silikon murni dengan menambahkan sedikit pengotor berupa unsur valensi lima. Empat elektron terluar dari donor ini berikatan kovalen dan menyisakan satu elektron lainnya yang dapat meninggalkan atom induknya sebagai elektron bebas. Dengan demikian pembawa muatan mayoritas pada bahan ini adalah elektron.Hal yang sama, semikonduktor tipe-p dibuat dengan mengotori silikon murni dengan atom valensi tiga, sehingga meninggalkan kemungkinan untuk menarik elektron. Pengotor sebagai aseptor menghasilkan proses konduksi dengan lubang(hole) sebagai pembawa muatan mayoritas.Proses pencampuran sebuah atom dari unsur lain (pengotor) ke dalam susunan atom-atom dari suatu bahan murni disebut sebagai penyuntikan atau doping. Ketika bahan murni disuntik dengan suatu pengotor lima electron pada kulit valensinya (yaitu sebuah pengotor pentavalen) bahan tersebut akan berubah menjadi bahan tipe-n. Tetapi, jika bahan murni disuntikkan dengan suatu pengotor yang memiliki tiga elektron pada kulit valensinya (yaitu sebuah pengotor trivalent) bahan tersebut akan berubah menjadi bahan tipe-p. Bahan semikonduktor tipe-n memiliki kelebihan pembawa muatan negative, sedangkan bahan tipe-p mempunyai kelebihan pembawa muatan positif.Dalam doping, perbandingan atom pengotor terhadap atom murni adalah 1:106 s/d 1:108. Atom-atom pengotor pada semikonduktor tipe-N adalah atom-atom pentavalent dan dinamakan atom donor, sedangkan pada semikonduktor tipe-P adalah atom-atom trivalent dan dinamakan atom ekseptor.Jika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasi partikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadi mekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partikel harus random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron pada salah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan elektron bergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi yang lebih padat ke sisi yang kurang padat.

H. Aplikasi SemikonduktorUntuk mendapatkan alat-alat semikonduktor yang bermutu tinggi, soal yang terpenting adalah mendapatkan kemurnian dan kesempurnaan dari Kristal tunggal dari semikonduktor yang dipergunakan sebagai bahan untuk pembuatan alat-alat tersebut. Hal ini disebabkan bahwa secara umum penambahan sedikit ketidakmurnian mempengaruhi pembawa muatan, sehingga mempengaruhi komponen yang akan dibuatnya. Sebaliknya, semakin sempurna kristalnya yang berarti mempunyai kerusakan lapisan kristal yang sangat sedikit, kesempurnaan kristal ini sangat menentukkan karakteristik dari komponen yang dibuatnya. Jadi syarat utamanya adalah bagaimana mendapatkan semikonduktor yang cukup murni dan bagaimana menambahkan sejumlah ketidakmurnian dengan tepat untuk mendapatkan komponen semikonduktor kualitas tinggi. Sejak ditemukannya transistor, teknologi pembuatan kristal maju dengan pesat, yang memungkinkan produsen dapat membuat bahan semikonduktor elementair seperti Ge dan Si, juga bahan semikonduktor komponen seperti Ga As dan CdTe yang sangat khas. Aplikasi Bahan PbSeTeEnergi gap yang relatif kecil dari paduan unsur golongan IV-VI seperti PbSeTe, PbSnTe berhasil dimanfaatkan pada awal 1970-an untuk membuat susunan detektor inframerah sebagai pendeteksi radiasi termal. Paduan unsur golongan IV-VI ini, memiliki kemampuan untuk menangkap radiasi inframerah dari jarak 30 m (Mukherjee et al, 2010). Detektor inframerah adalah detektor yang bereaksi terhadap radiasi inframerah. Inframerah adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio yaitu antara 700 nm 1 mm. karakter dari inframerah adalah sebagai berikut :1. Tidak dapat dilihat oleh manusia.2. Tidak dapat menembus materi yang tidak tembus pandang.3. Dapat ditimbulkan oleh komponen yang menghasilkan panas.Berdasarkan panjang gelombangnya, inframerah dapat dibedakan menjadi tiga daerah, antara lain :1. Near Infrared dengan panjang gelombang (0,75 1,5) 2. Mid Infrared dengan panjang gelombang (1,5 10) 3. Far Infrared dengan panjang gelombang (10 100) Prinsip kerja dari detektor inframerah adalah apabila inframerah (IR) ditembakkan ke suatu media material, maka sebagian sinar tersebut mungkin akan diserap (absorb) oleh media tersebut. Frekuensi IR yang diserap adalah unik untuk setiap senyawa maupun molekul. Sedangkan intensitas IR yang diserap bergantung pada jumlah kuantitas material tersebut. Jadi dengan mengetahui frekuensi dan intensitas IR yang diserap oleh suatu media atau sampel, kita dapat mengetahui jenis dan kuantitas suatu senyawa maupun molekul yang ada di dalam media atau sampel tersebut. Fenomena inilah yang mendasari cara kerja alat ukur yang menggunakan sinar inframerah. Pengukuran intensitas IR diperlukan suatu peralatan yang disebut detektor inframerah. Ada beberapa detektor inframerah yang ada saat ini, yang dikelompokkan menjadi dua tipe yaitu thermal dan photonic. Sinar IRmengandung energi panas, sehingga apabila ditembakkan ke suatu material maka temperatur material tersebut akan meningkat. Semakin besar intensitas IR, semakin besar energi panas yang dikandungnya. Dengan mengetahui besarnya kenaikan temperatur material yang dikenai IR tersebut, kita dapat mengetahui intensitas IR yang mengenainya. Jadi ada relasi antara kenaikan temperatur sebuah material dengan intensitas IR yang mengena material tersebut. Thermal detector memanfaatkan relasi ini. cara kerja thermal detector adalah dengan memanfaatkan beberapa sifat material yang bergantung pada temperatur. Ada beberapa jenis IR thermal detector, antara lain :1. Bolometer dan Microbolometer, yang didasarkan pada perubahan resistansi material terhadap perubaha temperatur.2. Thermocouple dan Thermopoles, yang didasarkan pada efek thermoelectric.3. Golay cells, yang didasarkan pada thermal expansion.4. Pyroelectric, yang didasarkan pada sifat material yang mampu membangkitkan beda potensial listrik antara kedua sisinya jika dipanaskan. Pyroelectric biasanya digunakan dalam spectrometer. Photonic detector memanfaatkan sifat terjadinya eksitasi elektron apabila ditembaki photon (sinar IR). Semakin besar intensitas sinar IR yang diserap, semakin banyak eksitasi elektron yang terjadi. Ada beberapa jenis IRphotonic detector, antara lain :1. Photoconductive, yang memanfaatkan sifat material yang menjadi lebih konduktif jika disinari gelombang IR. Eksitasi elektron menyebabkan elektron bebas (hole) menjadi lebih banyak sehingga lebih konduktif.2. Photovoltaic, eksitasi elektron dimanfaatkan sebagai sumber arus.3. Photodiode, eksitasi elektron dimanfaatkan sebagai sumber arus atau sumber tegangan Transistor Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau 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. Dioda Sebuah dioda berfungsi sebagai versi elektronik dari katup searah. Dengan membatasi arah pergerakan muatan listrik, dioda hanya mengijinkan arus listrik untuk mengalir ke satu arah saja dan menghalangi aliran ke arah yang berlawanan. Sel Surya Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit [[bumi], kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. Mikroposesor Sebuah mikroprosesor (disingkat P atau uP) adalah sebuah central processing unit (CPU) elektronik komputer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sebuah sirkuit terintegrasi semikonduktor. LED (Light Emitting Diode) LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkna emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak ada adalah warna merah, kuning dan hijau. LED berwarna biru sangat langka. Pada dasarnya semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi daya-nya. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) Terbuat dari perunggu (metal), silikon dioksida (oxide) dan silikon (semiconductor) yang telah di-dope. Dalam pembuatan integrated circuit (IC), pertama-tama perancang chip mendesain rangkaian berdasarkan spesifikasi yang telah ditentukan. Desain ini biasanya dilakukan dengan bantuan komputer. Kemudian desain akan dikirim ke pabrik IC, di mana IC akan di-fabrikasi di dalam suatu ruangan bersih (clean room) yang jumlah partikel udaranya telah dikontrol melalui filter. Akhirnya IC yang telah jadi akan dipackage dalam kemasan yang kita kenal sebelum dipasang di atas papan rangkaian. Single-Atom TransistorKemajuan di bidang nanoteknologi belakangan ini telah memungkinkan para ilmuwan untuk mengontrol bahan secara super akurat dalam skala nanometer. Tahun lalu, ilmuwan dari Universitas Cornell di AS berhasil membuat single-atom transistor (transistor atom tunggal), yang dibuat oleh ahli kimia bersama dengan insinyur material setempat. Apabila tegangan listrik dikenakan ke transistor tersebut, elektron mengalir di antara elektroda melalui atom kobalt (pada gambar berwarna biru tua, tengah) yang disanggah oleh molekul pyridine (biru muda). Di masa depan terobosan-terobosan di bidang nanoteknologi seperti ini akan dapat menghasilkan aplikasi-aplikasi baru. Semikonduktor organik Penelitian organic LED (Ligh Emitting Diode) (OLED) mulai mendapat perhatian sejak research group dari Eastman Kodak melaporkannya tahun 1987 dengan molekul kecil sebagai bahannya, kemudian di susul dengan peniliti dari Cambridge University pada tahun 1990, dengan menggunakan polymer sebagai bahannya. Selain aplikasi dalam OLED, aplikasi untuk pembuatan transistor juga mendapat perhatian. Salah satu devaisnya adalah organic thin film transistor (OTFT). Walau kecepatan OTFT ini tidaklah dapat menyaingi transistor dalam silicon, aplikasi dalam smart card yang ramah lingkungan tengah dikembangkan oleh beberapa perusahaan elektronik raksasa. Dioda tunelBila daerah p dan n mendapat doping yang berat, maka lapis diplesi menjadi jauh lebih sempit, bisa sekitar 10nm, sehingga diagram energinya seperti diagram

Panjang gelombang dari elektron- elektron di dekat permukaan fermi adalah sekitar 1nm, dan bila tebal lapisan diplesi ini dalam orde beberapa kali lebih besar dari panjang gelombang ini, maka penembusan itu tidak mungkin terjadiBegitu tegangannya dinaikkan, arus yang dialirkan dioda juga ikut naik hingga mencapai suatu nilai puncak (peak current, Ip). Tetapi, apabila tegangannya masih terus dinaikkan sedikit lagi, arusnya malah berkurang hingga mencapai nilai terendahnya(current calley, IV). Lalu, apabila tegangan dinaikkan lagi, maka arus yang dialirkan dioda tersebut akan ikut naik, namun kali ini arusnya tidak akan pernah turun lagi. Diode tunel sangat berguna dalam rangkaian listrik sebagai unsur berkecepatan tinggi, karena karakteristiknya dapat erubah secepat terjadinya perubahan tegangan bias. Diode tunel ini juga dapat digunakan sebagai saklar. Bila kita lewatkan arus pada diode tunel sehingga dapat mencapai puncak kurva, maka penambahan arus yang kecil saja akan menyebabkan tegangan melompat tiba- tiba ke harga yang lebih besar

Dioda fotoDioda foto adalah suatu sambungan p-n yang operasinya melibatkan emisi dan absorbsi cahaya. Kerja dari alat ini pada dasarnya sama dengan atom biasa. Elektron- elektron dalam pita valensi bisa menyerap suatu foton yang menyebabkan atom itu dapat beralih ke pita hantar. Karena foton cahaya kasat mata memiliki enegi dalam tingkatan 2- 3ev maka, semikonduktor yang senjang energinya dalam orde 1 ev cocok untuk transisi yang demikian itu. Sebaliknya elektron yang tereksitasi dari pita hantar dapat jatuh kembali ke pita valensi sehinggadalam proses ini terjadi pancaran foton. Cahaya yang masuk ke bagian atas photodioda masuk ke dalam lapisan semikonduktor. Lapisan tipe-P yang tipis di atas membuat banyak foton melewatinya menuju daerah pemisah (depletion region) tempat dimana pasang elektron dan hole terbentuk. Medan listrik yang tercipta di daerah pemisah menyebabkan elektron tertarik ke lapisan N, sedangkan hole ke lapisan P. Sebenarnya, pasangan elektron dan hole bisa dibentuk pada semua daerah dari bahan semikonduktor. Namun, pasangan elektron dan hole yang tercipta di daerah pemisah akan terpisah ke daerah masing-masing yaitu daerah P dan N. Banyak pasangan elektron dan hole yang terbentuk di daerah P dan N mengalami rekombinasi. Hanya ada beberapa yang berekombinasi di daerah pemisah. Oleh karena itu, hanya ada sedikit pasangan hole dan elektron yang ada di daerah N dan P, dan pasangan hole-elektron di daerah pemisah adalah yang menyebabkan terjadinya arus listrik pada saat photodioda terkena cahaya (photocurrent).Alat dioda foto yang biasa digunakan yang memancarkan cahaya kasat mata adalah LED. Suatu arus luar akan mensuplay energi yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dari pita hantar. Dan bila elektron- elektron jatuh kembali turun melakukan rekombinasi dengan hole maka akan dipancarkan foton.Contoh lainnya adalah laser semikonduktor pada dasarnya cara kerja lat ini sama dengan laser elektronik dimana arus yang tinggi akan menghasilkan populasi inversi. Ujung semikonduktr itu dapat dilapis dengan ibaik sehingga dapat membentuk cermin pantul.(nyoman : 242-243)

DAFTAR PUSTAKA

Goetzberger, A., Knobloch, J., Vo, B. Crystaline Silicon Solar Cells.Terjemahan oleh Rachel Waddington. 1998. Chichester : John Wiley and Sons Ltd

Dwi, S.H. 2007. Elektronika:Teori dan Penerapan. Jember: Penerbit Cerdas Ulet Kreatif

Suwitra, N.M.S. 1989. Pengantar Fisika Zat Padat. Jakarta: Departemen dan Kebudayaan Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi

Tim Fakultas Teknik UNY. 2001. Dasar Semikonduktor. Yogyakarta: Universitas Negeri YogyakartaNyoman : pengantar fisika zat padat