1. Definisi
Semokonduktor semikonduktor ekstrinsik :
intrinsic
dan
Semikonduktor intrinsik adalah bahan semikonduktor murni (belum diberi campuran/pengotoran) dimana jumlah electron bebas dan holenya adalah sama sehingga memungkinkan perpindahan muatan. Perpindahan muatan pada umumnya terjadi karena dua sebab yaitu : karena adanya perpindahan elektron bebas dan karena adanya perpindahan hole (lubang), keduaduanya bisa terjadi bersama-sama. Dalam semikonduktor jenis intrinsic karena banyaknya elektron bebas sama dengan banyaknya hole yang terjadi. Selain itu konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping), Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. 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 TIPE N Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada Gambar 1. SEMIKONDUKTOR TIPE P Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p. Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium. Struktur kisi-kisi Kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 2. 1. Definisi Kristal tunggal dan polikristal :
Kristal tunggal juga disebut sebagai monokristalin, monokristalin, yaitu suatu padatan kristal yang mempunyai kisi kristal yang susunannya teratur secara kontinyu dan kisi-kisi kristal yang membentuk bingkai tersebut tidak rusak atau tetap strukturnya (Liu Z. and Stavrinadis, A, 2008). Menurut Milligan (1979), kristal tunggal adalah suatu padatan yang atom-atom dalam molekul-molekulnya diatur dalam keterulangan dimana sebagian padatan
kristal tersusun dari jutaan kristal tunggal yang disebut grain . Polikristal adalah material yang tersusun oleh banyak kristal kecil atau butiran.Umumnya logam merupakan bentuk polikristal Contoh unsure atau komposit berbentuk Kristal tunggal dan polikristal UNSUR STRUKTU UNSUR STRUKTU (KRISTALTUNGG R (POLYKRISTA R AL) L) C
diamond
Cl2
Complex
Si
diamond
Br2
Complex
Ge
diamond
I2
Complex
Sn
diamond
O2
Complex
H
hcp
Ga
Complex
Be
hcp
Sm
Complex
Sc
hcp
U
Complex
Zr
hcp
Np
Complex
He
hcp
Pu
Complex
Co
hcp
Mn
Cubic complex
Wyckoff, Vol.1, chap 2 Crystal structures of the elements
1. Karakteristik
band gap semikonduktor dalam kemurnian dan tidak kemurnian
Diagram pita energi untuk material semikonduktor mirip dengan material isolator akan tetapi berbeda pada lebar celah energi-nya. Celah energi pada semikonduktor hanya sekitar 1 eV. Germanium dan silikon adalah material semikonduktor. Semikonduktor tanpa dopping Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d 104s 24 p 2 dan Si [Ne] 3s 2 3 p 2; 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. Fermi energi EF adalah pada titik tengah celah energi (<1 eV) antara konduksi dan valensi band. 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 Gb.3. 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 temperature
Dopping pada Semikonduktor 1. Donor dopan dalam Semiconductor
Buat semikonduktor pengotor dengan menambahkan sejumlah kecil bahan lain disebut dopan (group III atau kelompok V dopan untuk Si). Untuk Si elemen, kelompok V misalnya antimoni (Sb) "menyumbangkan" elektron dan membuat tipe-n Si "Extra" elektron (5 e-As vs 4 euntuk Si) adalah lemah terikat, dengan tingkat energi tepat di bawah pita konduksi (tingkat donor). Elektron dengan mudah dapat dipromosikan ke pita konduksi, sangat meningkatkan konduktivitas listrik (dengan meningkatkan kerapatan pembawa n). Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat electron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silicon sedangkan elektron valensi yang
kelima tidak mendapatkan pasangan. Oleh karena itu ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi lemah dan mudah menjadi elektron bebas. Karena setiap atom depan ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya. Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya. Pada 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 dan elektron 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 electron bebas. 1. Penerima dopan dalam Semiconductor
Untuk Si, kelompok elemen III (misalnya Ga) "menerima" elektron dan membuat tipe-p Si "Hilang" elektron (3 e-of Ga vs 4 e-untuk Si) menghasilkan sebuah "lubang" ekstra, dengan tingkat energi yang tepat di atas pita valensi (akseptor tingkat). Lubang dapat dengan mudah terbentuk di pita valensi, sangat meningkatkan konduktivitas listrik.
1. Mekanisme
diagram fasa semikonduktor yang dibentuk melalui proses fisis :
Diagram Fasa merupakan peta jalan (road maps ) untuk melakuan sintesis.Sebagai pedoman untuk menghasilkan karakteristik bahan yang dituju, karena proses sintesis pada umumnya akan menghadirkan ragam fase yang lain. Setiap system memiliki diagram fase yang khas. Salah satu variabel penting dalam membentuk fase tertentu komponen dalam system adalah perbandingan tersebut yang dinyatakan dengan : * Prosentase berat ( % berat )
* Prosentase mol / fraksi mol Semi Konduktor
I. Struktur Fisis Bahan Semi konduktor Silikon dan germanium adalah bahan yang biasanya dipakai sebagai bahan semi konduktor. Kedua bahan tersebut terdapat dalam kolom ke empat dari sistem periodik unsur-unsur kimia. 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. Pada struktur atom silikon murni terdapat tiga lapisan yaitu lapisan dalam mempunyai dua elektron, lapisan tengah mempunyai delapan elektron, dan lapisan luar mempunyai empat elektron. Sedangkan pada struktur atom germanium murni, terdapat empat lapisan masing-masing mengandung dua, delapan, delapan belas, dan empat elektron. Ikatan kovalen yang terjadi adalah sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar untuk membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Dapat dikatakan bahwa pada temperatur kamar, bahan semi konduktor murni mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi, oleh karena itu merupakan bahan isolator. Tahanan jenis bahan semi konduktor akan turun dengan naiknya temperatur. Untuk mempersiapkan bahan semi konduktor murni, misalnya digunakan sebagai transistor atau penyearah (rectifier ), perlu dilakukan rekayasa (engineering) sehingga
energi dari elektron-elektron pada lapisan valensi bertambah. Hal ini dapat dilakukan dengan suatu proses yang biasanya disebut doping, dimana bahan semi konduktor dicampur dengan bahan lain. II. Macam-macam bahan semi konduktor 1. Semi konduktor Intrinsik (bahan semi konduktor murni) Jenis bahan semi konduktor intrinsik umumnya mempunyai valensi empat dan ikatan dalam kristalnya adalah ikatan kovalen, hal ini dapat dimengerti karena elektron valensi pada kulit terluar dipakai bersama-sama. Pada bahan semi konduktor intrinsik, hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh mengalirnya elektron karena panas. Apabila temperatur naik, maka akan terjadi random thermis sehingga akan ada elektron yang terbebas dari ikatan atomnya (elektron pada kulit terluarnya). Dengan terlepasnya elektron ini, maka terjadilah kekosongan elektron yang sering disebut “hole” . Hole ini mempunyai sifat seperti partikelpertikel yang dapat menghantarkan arus listrik karena dapat berpindah-pindah, dan dianggap sebagai partikel yang bermuatan positif sebesar muatan elektron. Gerakan hole ini menyebabkan gerakan elektron yang terikat. Sifat-sifat semi konduktor intrinsik: Jumlah elektron bebas sama dengan hole Hantaran arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole Arah pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E dan berlawanan arah dengan pergerakan elektron
Umur rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur rata-rata dari sepasang elektron-hole (electron-hole pair ) adalah jumlah waktu saat tertutupnya pasangan elektron-hole sampai bertemunya elektron bebas dengan hole. Adapun yang mengisi hole pada umumnya adalah elektron yang terikat dilapisan sebelah bawahnya. 2. Semi konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni) Jenis bahan semi konduktor ekstrinsik didapat dengan jalan mengadakan doping antara bahan semi konduktor intrinsik dengan bahan yang valensinya berada dibawah atau di atas bahan intrinsik tersebut. Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi konduktor ekstrinsik, yaitu : N-type semi konduktor P-type semi konduktor N-type semi konduktor Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi empat didoping dengan atom lain yang valensinya lebih tinggi (misalnya valensi 5), maka molekul bahan campuran tersebut akan mengalami kelebihan satu elektron, selanjutnya elektron ini merupakan elektron bebas (lihat gambar -3 diatas). Pendopingan dapat dilakukan melalui proses pemanasan, sehingga akan terjadi penyesuaian diri dari dua macam atom yang berbeda valensinya dalam membentuk suatu molekul/kristal. Atom yang menyebabkan terjadinya elektron bebas dalam satu susunan kristal atom disebut atom donor , dan jenis bahan macam ini dinamakan N-type semi konduktor.
Di dalam tubuh N-type semi konduktor dapat diperoleh dua pembawa muatan yaitu : 1. Elektron sebagai majority carrier 2. Hole sebagai minority carrier Dengan adanya kelebihan elektron, maka akan memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah ber-eksitasi ke pita valensi. Jadi pada N-type semi konduktor akan terjadi level energi baru yang disebut energy level donor (Ed), dimana pada level ini berisi penuh dengan elektron, sehingga apabila ada elektron berpindah ke pita valensi, maka elekatron ini akan meninggalkan muatan positif pada level donor. Akibatnya pada atom bervalensi 5 terkumpul muatan positif P-type semi konduktor Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi 4, didoping dengan atom yang bervalensi 3, maka pada pencampuran ini akan terjadi kekurangan elektron atau akan terdapat lubang (hole). Seperti halnya pada N-type semi konduktor, maka doping ini dilakukan dengan pemanasan, sehingga setiap atom dapat menyesuaikan dirinya dengan baik dan akan membentuk kristal. Dengan adanya hole (kekurangan elektron), maka hole ini akan menarik elektron dari atom yang berdekatan dan selanjutnya atom yang telah kehilangan elektron tersebut akan menjadi lubang. Dengan demikian maka hole dapat bergantiganti, seakan-akan merupakan muatan listrik positif yang sedang bergerak.
Atom yang menyebabkan timbulnya hole dalam susunan kristal disebut atom acceptor , dan jenis bahannya dinamakan Ptype semi konduktor. Ada dua pembawa muatan pada P-type semi konduktor , yaitu: 1. Hole sebagai majority carrier 2. Elektron sebagai minority carrier Dengan prinsip energi level band , keterangan diatas dapat dijelaskan sebagai berikut: Dengan adanya kekurangan elektron, maka akan memerlukan suatu energi baru dimana elektron yang terdapat pada pita valensi akan berpindah keenergy level band yang baru tersebut. Level yang kosong tersebut dinamakanenergy level acceptor (Ea). III. Bahan-bahan semi konduktor Bahan-bahan semi konduktor yang sering digunakan adalah Germanium dan Silikon. Sifat-sifat bahan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : A. Germanium Germanium merupakan salah satu bahan semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium diperoleh sebagai serbuk berwarna kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan mereduksi germanium oksida. Selain itu juga dapat diperoleh dari pemurnian Kadmium dan seng. Germanium adalah bahan semi konduktor yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti karbon atau silikon. Spesifikasi germanium adalah sebagai berikut:
Daya hantar panas : 0,14 Cal/cm dt °C Kapasitas panas : 0,08 Cal/gr °C Koefisien muai panjang (0-100°C) : 6 x Titik lebur : 936°C 2 2 Permitivitas : 16 C /N m Tahanan jenis listrik pada 20°C : 0,47 Ω m Pada temperatur yang rendah, bahan semi konduktor ini bersifat sebagai isolator, kemudian pada suhu yang cukup tinggi, bahan ini berubah sifatnya menjadi bahan penghantar yang baik. Germanium merupakan bahan yang sangat luas pemakaianya didalam pembuatan rectifier, transistor, dan peralatan semi konduktor yang lain. Germanium yang dicampur dengan Arsen (As) disebut NGermanium. N artinya negatif, karena pada temperatur kamar, germanium tipe N ini mempunyai banyak elektron bebas yang bermuatan negatif. Arsen yang memberikan elektron disebut donor. Germanium yang dicampur dengan Indium (In) yang mempunyai 3 elektron valensi disebut P-Germanium. P artinya positif, dan menunjukkan bahwa banyak sekali hole yang bermuatan positif yang ada dalam Germanium tipe P ini. 2. Silikon
Silikon (Si) tidak ditemukan dalam bentuk aslinya, akan tetapi ditemukan dalam bentuk silika yang direduksi dengan kokas dan kemudian dimurnikan dengan converter, menghasilkan SiO atau SiHCl , atau dengan proses didestilasi berulang-ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH . Sifat-sifat silikon :
Mempunyai mobilitas yang tinggi Konstanta dielektriknya kecil Konduktivitas termis yang besar Disipasi panas yang baik. Impurity ionization energy yang sangat kecil Dari sifat-sifat silikon tersebut diatas, maka silikon banyak digunakan sebagai bahan semi konduktor, misalnya sebagai dioda rectifier, thyristor (SCR), dan lain-lain. Senyawa silikon, SiO (quartz), sering dipergunakan pada alat-alat optik dengan index bias 1,54. . IV. Dioda dan Transistor 1. Dioda Jika dua tipe bahan semi konduktor yaitu type-P dan type-N digabung menjadi satu, maka akan didapat sambungan P-N ( p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung begitu saja, melainkan dari satu bahan semi konduktor diberi doping (impurity material ) yang berbeda. Jika diberi tegangan maju ( forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), maka tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Hal itu menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier ). B. Transistor
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 emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutub positif. Transistor bipolar pertama kali ditemukan oleh William Schockley pada tahun 1951. Transistor adalah komponen yang dapat bekerja sebagai sakelar (switch on/off ) dan juga sebagai penguat (amplifier ). Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar. Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah salah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N ( forward bias). Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).
Karena base-emitor mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutub ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Itulah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron. Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika base diberi bias maju ( forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Konduktor adalah
bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang baik. Pada konduktor yang baik, jumlah elektron-elektron bebas, yaitu elektron-elektron yang mempunyai energi cukup besar (terletak pada lintasan yang paling luar) adalah banyak dan bebas bergerak, misalkan pada bahan tembaga, setiap atom tembaga menyumbangkan 1 elektron bebas. Tembaga sebagai zat yang memiliki nomor atom 29, mempunyai satu elektron bebas pada kulit
terluarnya.elektron ini yang bertugas untuk menghantarkan listrik ketika penghantar tersebut diberi tegangan. Penghantar dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik, baik berupa zat padat atau zat cair, sedang zat gas(udara) merupakan isolator alam. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil, misalnya air dan emas. Isolator
Isolator adalah
bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Hampir seluruh bahan non logam adalah isolator. Contoh isolator adalah asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet, udara dll. Dalam bahan isolator , elektron-elektron tidak bebas bergerak . Hal ini karena setiap atom dari bahan isolator terikat dengan kuat. Pada isolator, setiap muatan elektron dipegang erat oleh inti atomnya, sehingga pada suhu ruangan/normal tidak mungkin adanya pengaliran arus listrik. Apabila isolator diberi tegangan besar sehingga menghasilkan energi listrik yang mampu mengatasi energi pengikat elektron, elektron akan dapat berpindah. Dengan demikian isolator dapat mengalirkan arus listrik. Berdasarkan hal itu di katakan bahwa pada tegangan yang tinggi, isolator dapat berfungsi sebagai konduktor.
Semikonduktor
Semikonduktor adalah
sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan gallium arsenide. Terdapat dua jenis semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik , semikonduktor intrinsik biasanya hanya terdiri dari Ge atau Si saja, sedangkan semikonduktor ekstrinsik gabungan dari dua jenis bahan atau lebih. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut materi doping). 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 dopan. Pada umumnya, komponen dasar aktif elektronika terbuat dari bahan bahan semikonduktor misalnya dioda, transistor, dan IC (Integreted Circuit). Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan 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.
Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen 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). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Klasifikasi Semikonduktor
Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. 1. Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor 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, 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 elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut tori pita energi, pada ada 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 masingmasing 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 elektron 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. 2. Semikonduktor Ekstrinsik
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. Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan.
Bahan - bahan yang berhubungan dengan arus listrik dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu: 1. Konduktor adalah suatu bahan yang mudah menghantar mutaan listrik. Dalam bahan-bahan yang tergolong konduktor, elektron-elektron pada setiap atom tidak diikat dengan kuat sehingga elektron-elektron dapat bergerak bebas di dalam atom. Elektron-elektron bebas inilah yang menyebabkan bahan-bahan konduktor mudah mengantarkan (mengalirkan) muatan listrik. Misalnya: perak, alumunium, tembaga, besi, emas, dll. Dari bahan - bahan yang paling bagus untuk mengalirkan arus listrik adalah emas. Karena pada bahan konduktor mempunyai banyak sekali elektron bebas, dan yang paling banyak elektron bebasnya adalah emas. 2. Isolator adalah suatu bahan yang sukar menghantar muatan listrik. Dalam bahan-bahan isolator, elektronelektron pada setiap atom diikat dengan kuat sehingga pada keadaan normal elektron-elektron tidak bebas bergerak. Karena elektron-elektron tidak mudah berpindah, maka isolator sukar mengalirkan arus listrik. Akan tetapi, jika isolator diberi tegangan besar maka elektron dapat berpindah. Jadi pada tegangan tinggi isolator dapat berfungsi sebagai konduktor. Misalnya : gelas, kaca, karet, kayu, dll. Semikonduktor adalah suatu bahan yang pada kondisi tertentu akan bersifat sebagai isolator dan pada kondisi lain akan bersifat sebagai konduktor.
Bahan – bahan semikonduktor akan bersifat isolator jika dalam temperatur yang rendah dan akan bersifat konduktor jika dalam temperatur tinggi. Dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi penuh oleh elektron dan ketika dalam temperatur tinggi akan ada ikatan - ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron - elektron bebas. Misalnya: germaniun, silikon, dll. Pengertian Konduktor, Isolator dan Semikonduktor – Bahan-bahan yang bersifat konduktor, isolator, dan semikonduktor mempunyai hubungan yang erat dengan kelistrikan. Bagaimana hubungannya? Berikut penjelasannya. 1.
Bersifat Konduktor Bahan - bahan yang bersifatkonduktor ialah bahan bahan yang mudah mengalirkan arus listrik jika dihubungkan dengan sumber tegangan. Misalnya : tembaga, besi, emas, dll Dari bahan - bahan yang paling bagus untuk mengalirkan arus listrik adalah EMAS, karena pada bahan konduktor mempunyai banyak sekali elektron bebas, yang paling banyak elektron bebasnya adalah emas. 2. Bersifat Isolator Bahan - bahan yang bersifat isolator ialah bahan bahan yang akan menghambat arus listrik bila
dihubungkan dengan sumber tegangan. Misalnya : gelas, kaca, karet, kayu, dll Mengapa tidak dapat menghantarkan arus listrik ? Karena dalam bahan yang bersifat isolator seluruh lintasan elektronnya memiliki ikatan yang kuat dengan intinya atau dengan kata lain pada bahan isolator tidak mempunyai elektron bebas sehingga walau diberi tegangan listrik tidak akan membuat elektron elektronnya bergerak. 3.
Bersifat Semikonduktor Bahan - bahan yang bersifat semikonduktor ialah bahan - bahan yang pada kondisi tertentu akan bersifat sebagai isolator dan pada kondisi lain akan bersifat sebagai konduktor Misalnya : germaniun, silicon, dll Kapan bahan - bahan semikonduktor dapat bersifat isolator dan bersifatkonduktor ? Bahan - bahan tersebut akan bersifat isolator jika dalam temperatur yang rendah. Bahan - bahan tersebut akan bersifat konduktor jika dalam temperatur tinggi. Menggapa demikian ? Karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi penuh oleh elektron, danketika dalam temperatur tinggi karena pada temperatur yang tinggi akan ada ikatan - ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron - elektron bebas. The arsenic atom forms covalent bands with its four neighboring silicon atoms. The fifth electron becomes a
conduction electron that is “donated” to the conduction band.
The silicon becomes n-type because of the addition of the negative charge carrier and the arsenic atom is called a donor. When a boron atom with three valence electrons substitutes for a silicon atom, an additional electrons is “accepted” to form
four covalent bonds around the boron, and positively charged “hole” is created in the valence band. This is a p-type
semiconductor and boron is acceptor. Atom arsenik membentuk band kovalen dengan empat atom silikon tetangganya. Elektron kelima menjadi elektron konduksi yang "disumbangkan" ke pita konduksi. Silikon menjadi tipe-n karena penambahan pembawa muatan negatif dan atom arsen disebut donor. Ketika atom boron dengan tiga elektron valensi pengganti untuk atom silikon, sebuah elektron tambahan "diterima" untuk membentuk empat ikatan kovalen sekitar boron, dan bermuatan positif "lubang" yang dibuat dalam pita valensi. Ini adalah semikonduktor tipe-p dan boron adalah akseptor
