SEMIKONDUKTOR

A. PENGERTIAN DASAR Bahan Semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat konduktivitas diantara konduktor dan isolasi, disebut juga sebagau Bahan Setengah Konduktor

Struktur pita energi pada semikonduktur hampir sama dengan struktur pita

energi pada isolator .

Akan tetapi celah energi antara pita valensi dan pita konduksi pada isolator

relatif kecil , yaitu sekitar 1,1 eV. Pada suhu rendah, semikonduktur

akan berperilaku seperti isolator, sedangkan pada suhu tinggi elektron

yang berada pada pita valensi akan memperoleh energi kinetik yang

mampu untuk memindahkan elektron ke pita konduksi sehingga pada pita

konduksi terdapat elektron yang dapat bergerak bebas.

.Contoh :1. Silikon (Si) 2. Germanium (Ge)3. Gallium Arsenida(Ga.As) Untuk peralatan elektronik frekuensi tinggi

Banyak digunakan dalam bidang elektronika. seperti dioda, transistor, IC, dll

Pita energi bahan Semikonduktor pada suhu rendah

Pita energi bahan Semikonduktor pada suhu tinggi

Tabel : Elemen Semikonduktor Periodik

B. SUSUNAN ATOMSemikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan Germanium jenis semikonduktor penting dalam elektronika terletak pada kelompok IV dengan valensi = 4Gambar berikut menunjukkan bentuk ikatan kovalen dalam dua demensi

Gambar.1 : Struktur dua dimensi

kristal Silikon

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. Energi untuk melepaskan ikatan kovalen : Silikon = 1,1 eV dan Germanium = 0,7 eV, Semakin tinggi suhu ruangan 300 oK energi kovalen juga akan meningkat

Proses aliran muatan tersebut disebut dengan “ arus drift”, yaitu : Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor akibat adanya dua partikel masing-masingbermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah berlawanan karena pengaruh medan listrik sehingga kerapatan arus menjadi berubah.Secara matematis dinyatakan dalam :

Dimana :n = konsentrasi jumlah elektron (m-3)

p = konsentrasi jumlah lubang /hole (m-3) µn = mobilitas elektron (m2.V-1.s-1)

µp = mobilitas elektron (m2.V-1.s-1)

σ = konduktivitas (s.cm-1)

Karena terjadi hole dan elektron secara serentak, maka bahan semikonduktor murni akan terjadi jika jumlah n = p = n1 n1 = kosentrasi Intrinsik

Kita dapat memasukkan pengotor (doping) berupa atom-atom dari kolomtiga atau lima dalam tabel periodik ke dalam Silikon dan Germanium murni.Tujuan dari doping adalah meningkatkan kondukvitas semikonduktor untukmemperoleh semikonduktor dengan satu pembawa muatan (elektron atau hole saja)

TIPE-PKalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor 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) aseptor

Gambar.2. :Doping atom

trivalent

Semikonduktor Ekstrinsik (tidak murni)

TIPE-NMisalnya 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

Gambar.3. :Doping atom pentavalent

EG = energi GapeED = energi doping (donor)EC = energi konduksiEV = energi valensi

B. PROSES GENERASI DAN REKOMBINASI

Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik) tergantung pada jenis bahan dan temperatur.Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Secara matematik dinyatakan dalam :

En = tergantung pada jenis bahan

Dimana : eVG = energi gap (eV) k = konstanta Boltzmann T = temperatur oK

Pada bahan semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R) dalam pasangan elektron –hole perdetikpermeter kubik tergantung pada jumlahmuatan yang ada, Secara matematik dinyatakan :

Dimana : r = konstantan proposionalitas bahan

Dalam keadaan seimbang besar laju generasi = besar laju rekombinasi,Untuk semikonduktor murni berlaku :

dan

Jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping) maka yang lain harusberkurang, sehingga :

untuk semikonduktor murni berlaku :

Untuk semikonduktor tidak murni :

NND D = konsentrasi = konsentrasi donordonor

C. PROSES DIFUSI

Jika kosentrasi doping tidak merata ( non uniform) akan didapat konsentrasipartikel yang bermuatan tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadimekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi.Misal : adanya gerakan elektron dari sisi yang padat ke sisi yang tidak padat.Gerakan muatan tersebut menghasilkan “ arus difusi “ besarnya sebandingdengan gradien konsentrasi (dn/dx), secara matematis dinyatakan dalam :

Dn = konstantate difusi untuk elektron

Dp = konstanta difusi untuk hole

(D = m2 / detik)

Jika

gradien kosentrasi = neg gerakan elektron dari –x adalah positif menuju +x

gradien kosentrasi = pos gerakan elektron dari +x adalah positif menuju - x

Simbul :

1, Dioda PN

2, Transisitor

3, JFET (Junction Field Effect Transistor)

IRF510

4, MOSFET (Metal Oxide Silikon FET)