SEMIKONDUKTORoleh: Ichwan Yelfianhardirangkum dari berbagai sumber

Pengertian UmumBahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar.

KONSEP PITA ENERGI SEMIKONDUKTOR

Hukum dasar yang menjelaskan hubungan antara elektron dengan kulitorbit : elektron bergerak dalam kulit orbit. Elektron tidak dapat mengelilingi inti

atom dalam ruangan yang ada antara dua buah kulit orbit. setiap kulit orbit berhubungan dengan sebuah range energi

khusus,elektron-elektron yang bergerak dalam suatu kulit orbit akanmemilki sejumlah energi yang sama.Catatan : level energi dalam kulit akan meningkat ketika makin jauh dari inti atom. Hal ini dapat disimpulkan maka elektron valensi selalu memilki level energi yang tertinggi dalam setiap atom.

elektron untuk berpindah dari suatu kulit ke kulit yang lain menyerapenergi untuk menyesuaikan level energi antara level energi kulit awaldengan level energi kulit yang dituju.

Jika suatu atom menyerap cukup energi untuk berpindah dari suatu kulit yang satu kekulit yang lain, sebenarnya elektron ini kembali melepaskan energi yang diserapnya dan mengembalikannya ke kulit energi yang rendah

Celah & level energi SilikonPita Konduksi

Celah Energi

Pita Valensi

e1

e2

e3=0.7eV

e4=1.8eV

Pita energi untuk Konduktor, semi konduktor, dan Isolator

Karakteristik Bahan Semikonduktor

Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada sistemperiodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) danKarbon (C). Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk kristalintan. Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggisehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efekpanas pada pembuatan semikonduktor laser.

Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yangdibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6)sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktorgabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan IIdan VI misalnya CdTe dan ZnS.

Tabel Bahan Semikonduktor

Tabel Karakteristik Semikonduktor

Struktur Ikatan Atom Semikonduktor

Struktur ikatan atom bahan semikonduktor dapatdiamati pada Silikon (Si), Germanium (Ge) dan GaliumArsenida (GaAs). Hampir semua bahan semikonduktoryang dibentuk memiliki struktur ikatan kovalen, baikpada semikonduktor elemental maupun semikonduktorgabungan. Semikonduktivitas dapat terjadi denganmemberikan energi maupun pengotor (dopping)sehingga pada ikatan kovalen yang sempurna akanterbentuk hole atau kelebihan elektron, sehinggamuncul sifat semikonduktor.

Jenis Semikonduktor Berdasarkan mekanisme terbentuknya gejala semi-konduktivitas, semikonduktor terdiri atas:

Semikonduktor IntrinsikTerbentuk dari semikonduktor murni yang memilikiikatan kovalen sempurna seperti Si, Ge, C dansebagainya.Semikonduktor EkstrinsikTerbentuk dari semikonduktor murni yang dikotorioleh atom dopping sebagai penghasil elektronkonduksi atau hole. Terdiri atas dua tipe: Tipe – N (Silikon + Phospor atau Arsenic) dan Tipe – P (Silikon+ Boron, Galium atau Indium)

Semikonduktor Intrinsik

Mekanisme terbentuknya semikonduktor intrinsikdiperlihatkan pada semikonduktor murni seperti Si.Pada kondisi normal atom – atom Si saling berikatanmelalui 4 ikatan kovalen (masing – masing memiliki 2elektron valensi). Ketika suhu dinaikkan maka stimulasipanas akan mengganggu ikatan valensi ini sehinggasalah satu elektron valensi akan berpindah ke pitakonduksi. Lokasi yang ditinggalkan oleh elektron valensiini akan membentuk hole. Pasangan hole dan elektronini menjadi pembawa muatan dalam semikonduktorintrinsik. Proses ini diperlihatkan pada gambar berikut:

Semikonduktor Intrinsik

a. Kondisi normal b. Kondisi terstimulasi

Celah Energi Semikonduktor Intrinsik

Besar energi yang dibutuhkanuntuk membentuk pasanganelektron dan hole pada semi-konduktor intrinsik ditentukanoleh jarak celah energi antarapita valensi dengan pita konduksisemakin jauh jaraknya makasemakin besar energi yangdibutuhkan untuk membentukelektron – hole sebagai pembawamuatan. Pada Si dibutuhkanenergi Eg = 1,12 eV.

Celah Energi Semikonduktor Intrinsik

Semakin kecil celah energi maka jumlah pembawa muatan semakinmeningkat. Sehingga konduktivitas dari unsur golongan IV padasistem periodik meningkat dari karbon ke silikon, germanium dantimah putih. Konduktivitas ini merupakan sifat dasar dari bahandan tidak ditimbulkan oleh kotoran, oleh karena itu dinamakansemikonduktivitas intrinsik. Perbandingan celah energi unsur padagolongan IV diperlihatkan pada gambar berikut:

Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik terbentuk melalui mekanismedoping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan elektronvalensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanensehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.Mekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikanatom pengotor ke bahan semikonduktor murni sehinggaapabila atom pengotor memiliki kelebihan elektronvalensi (valensi 5) akan terdapat elektron bebas yangdapat berpindah. Apabila semikonduktor murnidiberikan pengotor dengan valensi kurang (valensi 3)maka akan terbentuk area kosong (hole) yang menjadipembawa muatan. Mekanisme ini menentukan jenissemikonduktor yang dibentuk (tipe – N atau tipe – P)

Semikonduktor Tipe-N

Bahan silikon diberi dopingphosphorus atau arsenic yangpentavalen yaitu bahan kristaldengan inti atom memiliki 5elektron valensi. Dengan doping,Silikon yang tidak lagi murni ini(impurity semiconductor) akanmemiliki kelebihan elektron.Kelebihan elektron membentuksemikonduktor tipe-n.Semikonduktor tipe-n disebut jugadonor yang siap melepaskanelektron.

Semikonduktor Tipe-P

Kalau Silikon diberi doping Boron,Gallium atau Indium, maka akandidapat semikonduktor tipe-p.Untuk mendapatkan silikon tipe-p,bahan dopingnya adalah bahantrivalen yaitu unsur dengan ionyang memiliki 3 elektron padapita valensi. Karena ion silikonmemiliki 4 elektron, dengandemikian ada ikatan kovalen yangbolong (hole). Hole ini digambar-kan sebagai akseptor yang siapmenerima elektron. Dengandemikian, kekurangan elektronmenyebabkan semikonduktor inimenjadi tipe-p.

Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor

Semikonduktor mempunyai pembawa muatan negatif dan positif.Elektron yang melompat ke pita konduksi disebut pembawamuatan jenis negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantungpada mobilitas n dalam pita konduksi semikonduktor.Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi merupakanpembawa muatan jenis positif. Konduktivitas yang dihasilkantergantung pada mobilitas p dalam pita valensi semikonduktor.

Sehingga konduktivitas seluruhnya merupakan gabungan darikeduanya, dirumuskan :

Dengan n : jumlah pembawa muatan mobilitas muatanq : besar muatan yang dibawa (0,16 x 10-18 Coulomb)

Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor

Pada semikonduktor intrinsik pembawa muatan negatif adalahelektron yang berpindah ke pita konduksi sehingga meninggalkanlubang (hole) pada pita konduksi sebagai pembawa muatan positifsehingga nn = np, dan persamaan konduktifitas ( dapatdisederhanakan.Pada semikonduktor ekstrinsik nn tidak sama dengan np sehinggabentuk persamaan tersebut dapat tetap digunakan.

Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar daripadamobilitas lubang elektron dalam semikonduktor yang sama.Sehingga karakteristik konduktivitas semikonduktor tipe –nberbeda dengan dengan semikonduktor tipe –p.

Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas SemikonduktorKonduktivitas semikonduktor meningkat dengan meningkatnyasuhu. Hal ini dapat disebabkan karena :Jumlah pembawa muatan n, bertambah sebanding denganjumlah elektron yang dapat melompati celah. Pada suhu0oK, tidak ada elektron yang mempunyai cukup energiuntuk melompat, akan tetapi dengan naiknya suhu, energielektron bertambah, pada 20oC, sejumlah elektron valensidalam silikon, germanium dan timah memiliki energi Egsebesar celah energi yang dibentuk.Sehingga distribusi elektron pada semikonduktor yangmendapatkan energi thermal adalah:

dimana, ni adalah jumlah elektron/m3 dalam pita konduksi.

Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas Semikonduktor

Dalam sela energi E rata-rata terdapat ditengah-tengah celah,sebanding dengan Eg/2, sehingga persamaan sebelumnya menjadi:

Dengan: T adalah suhu absolut (K) k adalah konstanta Boltzmann (86,1 x 10-6 eV/K)

Konduktivitas berbanding lurus dengan jumlah muatan n, oleh karena itu:

dimana 0 adalah konstanta pembanding yang mencakup faktor-faktor, q dan dari persamaan tadi.

Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas Semikonduktor

Mobilitas memang tergantung pada suhu akan tetapiperubahan tersebut berada dalam batas-batas daerahkerja semikonduktor umumnya dan kecil biladibandingkan dengan perubahan eksponensial darijumlah pembawa muatan n, oleh karena itu :

Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktor diukurdi laboratorium maka Eg dapat dihitung dari kemiringankurva, ln T terhadap Eg (kemiringan = - Eg/2k).sebaliknya bila diketahui Eg dan , kita dapatmenghitung pada suhu tertentu.

Pemanfaatan Semikonduktor

Semikonduktor merupakan terobosan dalam teknologibahan listrik yang memungkinkan pembuatankomponen elektronik dalam wujud mikro, sehinggaperalatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yanglebih kecil. Beberapa komponen elektronik yangmenggunakan bahan semikonduktor yaitu:

DiodaTransistorIC (Integated Circuit)Mikroprosesor

Dioda

Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar.Diode memiliki banyak tipe dan tiap tipe memilikifungsi dan karakteristik masing-masing.

Kata Diode berasal dari Di (Dua) & Ode (Elektrode),jadi Diode adalah komponen yang memiliki duaterminal atau dua electrode yang berfungsi sebagaipenghantar arus listrik dalam satu arah. Dengan katalain diode bekerja sebagai Konduktor bila bedapotensial listrik yang diberikan dalam arah tertentu(Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagaiIsolator bila beda potensial listrik diberikan dalamarah yang berlawanan (Bias Reverse) Tipe dasar daridiode adalah diode sambungan PN.

Kurva Karakteristik Diode

LAPISAN PENGOSONGAN DIODA

Bias Forward pada Diode

Bias Reverse pada Diode

Light Emiting Diode (LED)

Transistor

Transistor adalah komponen elektronik yang dibuat darimateri semikonduktor yang dapat mengatur tegangandan arus yang mengalir melewatinya dan dapatberfungsi sebagai saklar elektronik dan gerbangelektronik.Transistor dapat digunakan pada: Rangkaian Switching Rangkaian Penguat Rangkaian Osilasi Sensor

Transistor

Transistor yang umum digunakan dinamakan BipolarJunction Transistor (BJT) karena dirancang dari semikonduktor tipe N dan P yang dihubungkan melaluipenghubung (junction). Bagian – bagiannya antara lain:

Transistor

Transistor BJT ada dua jenis yaitu: Tipe NPN Tipe PNP

Transistor

Prinsip kerja transistor BJT diperlihatkan pada gambar berikut:

Transistor

Arus masuk ke terminal emiter akan di salurkan keterminal kolektor dan basis. Besar arus yang dihasilkanditerminal kolektor dapat diatur dengan mengaturtegangan yang diberikan antara terminal basis danemiter. Besar arus yang diperoleh pada terminalkolektor dirumuskan:

Dengan I0 = arus emiter, V0 = tegangan emiter – basis,B = konstanta basis

Integrated Circuit (IC)

Integrated Circuit merupakan komponen elektronikyang terdiri atas beberapa terminal transistor yangtergabung membentuk gerbang. Masing – masinggerbang dapat dioperasikan sehingga membentuklogika tertentu yang dapat mengendalikanpengoperasian suatu perangkat elektronik.Gabungan dari beberapa buah IC dan komponen laindapat diproduksi dengan menggunakan bahansemikonduktor dalam bentuk chip. Chip multifungsi inikemudian dikenal sebagai mikroprosesor yangberkembang hingga sekarang.

Perkembangan IC

Teknologi Nama Jumlah Komponen

Tahun

SSI Small Scale Integrated <100 Awal 1960

MSI Medium Scale Integrated

100-1000 Awal 1960

LSI Large Scale Integrated 1000-10000 Awal 1970

VLSI Very Large Scale Integrated

10000-10000 Akhir 1970

ULSI Ultra Large Scale Integrated

100000> Awal 1980

Macam-macam Semikonduktor dan penggunaannya

Macam-macam Semikonduktor dan penggunaannya