SEMIKONDUKTOR
oleh: Ichwan Yelfianhar dirangkum dari berbagai sumber
Pengertian Umum Bahan 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 kulit orbit : 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 akan memilki 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 menyerap energi untuk menyesuaikan level energi antara level energi kulit awal dengan 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 Silikon Pita Konduksi
e4=1.8eV Celah Energi
Pita Valensi e3=0.7eV e2 e1
Pita energi untuk Konduktor, semi konduktor, dan Isolator
Karakteristik Bahan Semikonduktor
Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada sistem periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C). Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk kristal intan. Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser. Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.
Tabel Bahan Semikonduktor
Tabel Karakteristik Semikonduktor
Struktur Ikatan Atom Semikonduktor Struktur ikatan atom bahan semikonduktor dapat diamati pada Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Hampir semua bahan semikonduktor yang dibentuk memiliki struktur ikatan kovalen, baik pada semikonduktor elemental maupun semikonduktor gabungan. Semikonduktivitas dapat terjadi dengan memberikan energi maupun pengotor (dopping) sehingga pada ikatan kovalen yang sempurna akan terbentuk hole atau kelebihan elektron, sehingga muncul sifat semikonduktor.
Jenis Semikonduktor Berdasarkan mekanisme terbentuknya gejala semikonduktivitas, semikonduktor terdiri atas: Semikonduktor Intrinsik Terbentuk dari semikonduktor murni yang memiliki ikatan kovalen sempurna seperti Si, Ge, C dan sebagainya. Semikonduktor Ekstrinsik Terbentuk dari semikonduktor murni yang dikotori oleh atom dopping sebagai penghasil elektron konduksi 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 intrinsik diperlihatkan pada semikonduktor murni seperti Si. Pada kondisi normal atom – atom Si saling berikatan melalui 4 ikatan kovalen (masing – masing memiliki 2 elektron valensi). Ketika suhu dinaikkan maka stimulasi panas akan mengganggu ikatan valensi ini sehingga salah satu elektron valensi akan berpindah ke pita konduksi. Lokasi yang ditinggalkan oleh elektron valensi ini akan membentuk hole. Pasangan hole dan elektron ini menjadi pembawa muatan dalam semikonduktor intrinsik. Proses ini diperlihatkan pada gambar berikut:
Semikonduktor Intrinsik
a. Kondisi normal
b. Kondisi terstimulasi
Celah Energi Semikonduktor Intrinsik Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk elektron – hole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.
Celah Energi Semikonduktor Intrinsik Semakin kecil celah energi maka jumlah pembawa muatan semakin meningkat. Sehingga konduktivitas dari unsur golongan IV pada sistem periodik meningkat dari karbon ke silikon, germanium dan timah putih. Konduktivitas ini merupakan sifat dasar dari bahan dan tidak ditimbulkan oleh kotoran, oleh karena itu dinamakan semikonduktivitas intrinsik. Perbandingan celah energi unsur pada golongan IV diperlihatkan pada gambar berikut:
Semikonduktor Ekstrinsik Semikonduktor ekstrinsik terbentuk melalui mekanisme doping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen sehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. Mekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikan atom pengotor ke bahan semikonduktor murni sehingga apabila atom pengotor memiliki kelebihan elektron valensi (valensi 5) akan terdapat elektron bebas yang dapat berpindah. Apabila semikonduktor murni diberikan pengotor dengan valensi kurang (valensi 3) maka akan terbentuk area kosong (hole) yang menjadi pembawa muatan. Mekanisme ini menentukan jenis semikonduktor yang dibentuk (tipe – N atau tipe – P)
Semikonduktor Tipe-N 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. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.
Semikonduktor Tipe-P Kalau Silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen 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). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.
Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor Semikonduktor mempunyai pembawa muatan negatif dan positif. Elektron yang melompat ke pita konduksi disebut pembawa muatan jenis negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung pada mobilitas n dalam pita konduksi semikonduktor. Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi merupakan pembawa muatan jenis positif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung pada mobilitas p dalam pita valensi semikonduktor. Sehingga konduktivitas seluruhnya merupakan gabungan dari keduanya, dirumuskan :
Dengan n : jumlah pembawa muatan mobilitas muatan q : besar muatan yang dibawa (0,16 x 10-18 Coulomb)
Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor Pada semikonduktor intrinsik pembawa muatan negatif adalah elektron yang berpindah ke pita konduksi sehingga meninggalkan lubang (hole) pada pita konduksi sebagai pembawa muatan positif sehingga nn = np, dan persamaan konduktifitas ( dapat disederhanakan. Pada semikonduktor ekstrinsik nn tidak sama dengan np sehingga bentuk persamaan tersebut dapat tetap digunakan. Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar daripada mobilitas lubang elektron dalam semikonduktor yang sama. Sehingga karakteristik konduktivitas semikonduktor tipe –n berbeda dengan dengan semikonduktor tipe –p.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas Semikonduktor Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan meningkatnya suhu. Hal ini dapat disebabkan karena : 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:
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 faktorfaktor, q dan dari persamaan tadi.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas Semikonduktor Mobilitas memang tergantung pada suhu akan tetapi perubahan tersebut berada dalam batas-batas daerah kerja semikonduktor umumnya dan 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.
Pemanfaatan Semikonduktor Semikonduktor merupakan terobosan dalam teknologi bahan listrik yang memungkinkan pembuatan komponen elektronik dalam wujud mikro, sehingga peralatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yang lebih kecil. Beberapa komponen elektronik yang menggunakan bahan semikonduktor yaitu: Dioda Transistor IC (Integated Circuit) Mikroprosesor
Dioda
Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar. Diode memiliki banyak tipe dan tiap tipe memiliki fungsi dan karakteristik masing-masing. Kata Diode berasal dari Di (Dua) & Ode (Elektrode), jadi Diode adalah komponen yang memiliki dua terminal atau dua electrode yang berfungsi sebagai penghantar arus listrik dalam satu arah. Dengan kata lain diode bekerja sebagai Konduktor bila beda potensial listrik yang diberikan dalam arah tertentu (Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagai Isolator bila beda potensial listrik diberikan dalam arah yang berlawanan (Bias Reverse) Tipe dasar dari diode 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 dari materi semikonduktor yang dapat mengatur tegangan dan arus yang mengalir melewatinya dan dapat berfungsi sebagai saklar elektronik dan gerbang elektronik. Transistor dapat digunakan pada: Rangkaian Switching Rangkaian Penguat Rangkaian Osilasi Sensor
Transistor Transistor yang umum digunakan dinamakan Bipolar Junction Transistor (BJT) karena dirancang dari semi konduktor tipe N dan P yang dihubungkan melalui penghubung (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 ke terminal kolektor dan basis. Besar arus yang dihasilkan diterminal kolektor dapat diatur dengan mengatur tegangan yang diberikan antara terminal basis dan emiter. Besar arus yang diperoleh pada terminal kolektor dirumuskan:
Dengan I0 = arus emiter, V0 = tegangan emiter – basis, B = konstanta basis
Integrated Circuit (IC) Integrated Circuit merupakan komponen elektronik yang terdiri atas beberapa terminal transistor yang tergabung membentuk gerbang. Masing – masing gerbang dapat dioperasikan sehingga membentuk logika tertentu yang dapat mengendalikan pengoperasian suatu perangkat elektronik. Gabungan dari beberapa buah IC dan komponen lain dapat diproduksi dengan menggunakan bahan semikonduktor dalam bentuk chip. Chip multifungsi ini kemudian dikenal sebagai mikroprosesor yang berkembang 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
