SEMIKONDUKTOR
Secara umum semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Hal ini terjadi karena saat semikonduktor berada pada suhu atau temperatur sangat rendah bersifat sebagai isolator, sedangkan ketika berada pada temperatur ruangan bersifat konduktor. Semikonduktor sangat berguna dalam bidng elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (pendonor elektron). Dalam bab ini yang akan dibahas adalah semikonduktor intrinsik, semikonduktor ekstrinsik, pengaruh temperatur, difusi dan konduksi, luminescense, dan prinsip divais elektronika.
1.1
Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor intrinsik adalah material semikonduktor yang murni atau belum tercampur oleh atom-atom lain. Semikonduktor murni dalam tabel periodik berada pada golongan IV. Atom-atom dalam golongan IV dapat membentuk sebuah semikonduktor murni karena adanya ikatan kovalen dari masing-masing atom, sebagai contoh silikon mempunyai elektron valensi 4 dan dalam keadaan murni antara satu atom dengan atom lainnya berikatan secara kovalen dengan 4 atom disebelahnya dengan 2 elektron yang masing-masing menyumbangkan satu elektron.
Semikonduktor intrinsik pada suhu yang sangat rendah : -
Semua elektron berada pada ikatan kovalen
-
Tak ada elektron bebad atau tak ada pembawa muatan sehingga bersifat sebagai isolator.
Semikonduktor intrinsik pada suhu kamar : -
Agitasi termal menyebabkan beberapa elektron valensi keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas sebagai pembawa muatan negatif.
-
Munculnya elektron bebas diikuti dengan terbentuknya hole (lubang) sebagai pembawa muatan positif, peristiwanya disebut pembangkitan (generation).
-
Jika dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagai konduktor dengan konduktansi rendah).
Dalam dunia elektro semikonduktor yanng paling mendominasi adalah silikon. Atomatom golongan III dan IV yang mengapit atom-atom golongan IV sangat penting dalam aplikasi semikonduktor sebagai bahan dopant untuk meninggikan konsentrasi pembawa muatan.
1.1.1
Elektron dan Hole
Suatu elektron yang berada pada pita valensi dapat memperoleh tambahan energi dan masuk ke pita konduksi, dengan besar energi minimum adalah sebesar energi gap (Eg). Energi ini dapat diperoleh dengan menyerap energi dari photon atau energi thermal atau energi dari medan listrik.
Ketika satu elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi akan muncul daerah kosong yang disebut hole dan menjadi pembawa muatan postif. Jadi dalam semikonduktor intrinsik akan ditemukan pasangan elektron hole.
Kedua pembawa muatan yaitu elektron dan hole akan memiliki konsentrasi yang sama pada semikonduktor intrinsik, karena setiap kemunculan elektron akan muncul kembali hole pada pita valensi.
Ilustrasi di bawah ini menunjukkan adanya permunculan elektron dan hole dalam suhu kamar melalui energi thermal.
1.1.2
Konduksi pada semikonduktor intrinsik
Dalam semikonduktor intrinsik dikenal dengan adanya “arus drift”, yang menyatakan
“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masingmasing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”.
Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
J n p qn p ,
dimana n dan p = konnsentrasi elektron dan lubang (m-3) n
dan p = mobilitas elektron dan lubang (m2 V-1 s-1)
n p q
np
= konduktivitas (S cm-1)
Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan sebagai i
n p n , dimana i n disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Yang apabila kita turunkan lagi akan mendapatkan
[ ] [ ] Dan kita juga dapat mendapatkan persamaan
Jadi dari persamaan di atas dapat diartikan massa elektron dan hole bila sama untuk semikonduktor intrinsik, posisi energi Fermi tepat berada di tengah-tengah anatara ujungujung pita valensi dan konduksi atau berada di tengah-tengah celah energi.
1.2
Semikonduktor Ekstrinsik Semikonduktor ekstrinsik pada dasarnya adalah penambahan atom pada dari selain
golongan IV pada semikonduktor murni untuk penambahan muatan. Proses penambahan atom ini disebut doping.
Dari
proses doping dengan menambahkan atom golongan III dan V akan
mendapatkan 2 tipe yang berbeda yaitu :
1.2.1
Semikonduktor tipe - n Atom golongan V ini bila ditambahkan pada semikonduktor intrinsik akan membuat
ikatan kovalen demgan ikatan semikonduktor intrinsik dengan 4 elektron valensinya. Sebuah elektro valensi sisanya akan menjadi pembawa muatan. Karena atom golongan V bersifat memberikan satu elektron pembawa muatan maka disebut dengan atom donor. Jadi pembawa muatan yang dominan adalah elektron atau pembawa muatan negatif, sehingga disebut semikonduktor tipe-n. Alasan bisa terjadinya konduksi adalah karena perbedaan tingkat energi yang cukup dekat antara golongan IV dan V. Jadi atom pentavalen (atom golongan V) bisa menjadi elektron konduksi dengan agitasi thermal. Dikarenakan atom donor Nd jauh lebih besar dari atom Ni, maka diasumsikan setiap atom donor menyeimbangkan satu elektron. Hal ini menyebabkan konsentrasi hole pada semikonduktor tipe-n jauh lebih kecil, dibandingkan dengan semikonduktor intrinsik. Sehingga konduktivitasnya menjadi
=
d e
1.2.2
Semikondultor tipe-p. Dalam semikonduktor tipe-p yang ditaambahkan pada semikonduktor intrinsik adalah
atom golongan III, yang menyebabkan mayoritas pembawa muatan positif atau hole. Hal ini disebabkan oleh ikatan kovalen antara atom akseptor (golongan III) dan atom semikonduktor (golongan IV) kekurangan satu elektron. Kekurangan satu elektron karena atom golongan III memiliki 3 elektron valensi, sedangkan atom intrinsik memiliki 4 elektron valensi, sehingga kekurangan 1 elektron valensi untuk membentuk ikatan kovalen. Dan kekurangan satu elektron menyebabkan adanya hole (pembawa muatan positif), untuk menambah energi biasanya dari energi thermal atau photon.
Dikarenakan atom akseptor yang menjadi mayoritas, mengakibatkan konsentrasi muatan atom menjadi lebih kecil dari konsentrasi elektron pada kondisi intrinsik, sehingga konduktivitas
=
.
Dalam kondisi semikonduktor yang memiliki baik akseptor maupun donor atom disebut dengan doping terkompensasi. Caranya adalah dengan menghitung konsentrasi pembawa muatan, dengan prinsip : Prinsip netralitas bahan :
+ = 0
p – n +
atau
⁄ – + - = 0 Yang apabila diturunkan menjadi :
1. Untuk semikonduktor intrinsik
= 0 maka n = p = 2. Untuk semikonduktor ekstrinsik : Tipe – n :
; sehingga
Tipe – p :
; sehingga
3. Pada
suhu
tinggi
semikoduktor
tipe-n
dan
semikonduktor intrinsik. 4. Semikonduktor terkompensasi bila
.
tipe-p
dapat
berubah
menjadi
Posisi energi Fermi pada semikonduktor ekstrinsik adalah :
( ) ( ) Hubungan semikonduktor untuk :
adalah adalah 1.3
Pengaruh Temperatur Konduktivitas semikonduktor dipengaruhi oleh temperatur dengan 2 cara yaitu ; -
Perubahan konsentrasi akibat perubahan temperatur.
-
Perubahan mobilitas pembawa muatan akibat perubahan temperatur.
Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan meningkatnya suhu disebabkan oleh jumlah pembawa muatan n, bertambah sebanding dengan jumlah elektron yang dapat melompati celah. Pada suhu 0oK, tidak ada elektron yang mempunyai cukup energi untuk melompat, akan tetapi dengan naiknya suhu, energi elektron bertambah, pada 20oC, sejumlah elektron valensi dalam silikon, germanium dan timah memiliki energi Eg sebesar celah energi yang dibentuk. Sehingga distribusi elektron pada semikonduktor yang mendapatkan energi thermal adalah:
Sehingga pada kondisi terakhir, konsentrasi pembawa muatan pada pita konduksi akan ditentukan oleh eksitasi termal dari pita valensi ke pita konduksi. Pada temperatur tinggi getaran kisi-kisi atom dapat menurunkan jarak bebas sehingga menurunnkan mobilitas. Mobilitas memang tergantung pada suhu akan tetapi perubahan tersebut berada dalam batas-batas daerah kerja semikonduktor umumnya dan lebih kecil bila dibandingkan dengan perubahan eksponensial dari jumlah pembawa muatan n, oleh karena itu : Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktor diukur di laboratorium maka Eg dapat dihitung dari kemiringan kurva, ln T terhadap Eg (kemiringan = - Eg/2k). sebaliknya bila diketahui Eg dan , kita dapat menghitung pada suhu tertentu.
1.4
Difusi dan Konduksi Difusi bisa terjadi dalam semikonduktor apabila pembawa muatan tak homogen atau
dalam kata lain adalah berbeda. Pada semikonduktor gradien potensial dan gradien konsentrasi dapat terjadi bersamasama, sehingga arus yang mengalir merupakan kombinasi karena asus konduksi dan difusi, sebagai :
b. a.
Dari persamaan di atas terlihat yang mempengaruhi kemudahan pergerakan pembawa muatan baik dari hole maupun elektron, yaitu mobilitas yang terkait dengan konduksi dan konstanta difusi yang terkait dengan proses difusi pembawa muatan. Yang mana 2 hal tersebut sesuai dengan persamaan Einstein yaitu :
dan
Berdasarkan pergerakan partikel dalam difusi, koefisin difusi dapat ditentukan dari
dua besaran lain, yaitu jarak bebas rata-rata (l) dan waktu bebas rata-rata ( ) menurut hubungan :
1.5
Luminescence Luminescence adalah cahaya yang biasanya terjadi pada temperatur rendah, dapat
disebabkan oleh reaksi kimia, energi listrik , gerakan sub-atomik , atau tekanan pada kristal Jenis-jenis Luminesence -
Bioluminescence, disebabkan oleh organisme hidup .
-
Chemiluminescence, yang dihasilkan dari suatu reaksi kimia .
-
Electrochemiluminescence, oleh reaksi elektrokimia.
-
Crystalloluminescence, diproduksi selama kristalisasi.
Dalam semikonduktor luminescense adalah emisi/photon yang terjadi ketika bergabungnya hole yang berada dalam pita valensi melalui suatu proses tertentu akan terjadi emisi photon, yang terjadi dalam waktu yang sangat cepat dalam hitungan nano-sekon.
1.6
Prinsip Divais Elektronika
1.6.1
P-N Junction (sambungan p-n) Aplikasi dari penyambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n adalah pada dioda
sebagai penyearah. Bila dalam semikonduktor tipe-n dimasukkan dopant tipe p maka akan terjadi distribusi tingkat doping. Pada daerah dimana konsentrasi akseptor lebih besar dari donor akan berperilaku semikonduktor tipe-n karena pembawa muatan elektron tetap dominan, sedangkan di daerah yang donor lebih besar dari akseptor akan berperilaku sebagai tipe p
karena doping dengan donor telah dikompensasi dengan atom-atom akseptor dan akhirnya didominasi, dan di tempat yang konsentrasi donor dan akseptor sama akan berperilaku sebagai semikonduktor intrinsik. Apabila ada kontak antara akseptor dan donor makan akan terjadi deplesi yang
menyebabkan adanya potensial. Sehingga V= -1q(
1.6.2
Diode P-N junction (sambungan p-n) Misalkan sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara
sempurna terhubung membentuk sambungan p-n. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe p),matom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe- p dan difusi lubang dari tipe- p ke tipe-n.
Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.
Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift. Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p. Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang
disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang” o V Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.
Dalam keadaan rangkaian terbuka, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkanterjadinya medan listrik dalam arah x . Kita dapat menggunakan v
dx untuk
mendapatkan distribusi potensial pada
daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang o V yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas. 1.6.3
Perhitungan Tegangan Deplesi
Seperti yang sudah dijelaskan, deplesi terbentuk karena adanya kontak antara akseptor dan donor. Dan ini merupakan fenomena difusi muatan, dimana merupaka sesuatu yang penting dalam aplikasi.
[ ] 1.6.4
Sambungan antara logam dan semikonduktor Di sini yang digabungkan adalah logam dengan semikonduktor (tipe-p maupun tipe-
n). Fungsi kerja logam lebih besar dari fungsi kerja semikonduktor, jadi elektron pada pita konduksi semikonduktor lebih energetic dan akan masuk ke logam, sehingga daerah pada semikonduktor akan lebih positif. Untuk elektron agar bisa bergerak dari logam ke semikonduktor harus melawan potensial penghalang yang disebut Schotktky Barrier. Pada kondisi :
a. Open circuit : -
aliran pada sambungan logam ke semikonduktor
( ) -
aliran dari semikonduktor ke logam
) (
b. Pada kondisi seimbang -
Dalam hal ini apabila ada pemberian tegangan bias maju yang menyebabkan penurunan barrier semikonduktor ke logam.
( ) ( ) ( ) -
Apabila yang diberikan bias mundur, maka barrier akan membesar sehingga :
( )
