Bahan Semikonduktor #02
Bahan Semikonduktor #02
Insulator, Semikonduktor, dan Konduktor Seperti terlihat pada gambar energy band, insulator
mempunyai forbidden gap yang lebar, semikonduktor mempunyai forbidden gap yang sempit,
dan konduktor sama sekali tidak mempunyai forbidden gap.
Dalam hal insulator, praktis tidak ada elektron di conduction band dari energy level, dan valence
band terisi. Juga, forbidden gap-nya sedemikan lebar sehingga memerlukan energi yang sangat
besar (hampir 6 eV) agar sebuah elektron dapat menyeberang dari valence band ke conduction
band. Karena itu, jika suatu tegangan dipasang pada sebuah insulator, tidak terjadi konduksi baik
oleh gerakan elektron atau oleh pemindahan/transfer hole.
Untuk semikonduktor pada suhu absolut 0oK (-273,15oC) valence band biasanya penuh, dan
tidak ada elektron pada conduction band. Tapi, forbidden gap dalam sebuah semikonduktor jauh
lebih sempit dari pada yang di insulator, dengan pemberian sedikit energi (1,2 eV untuk silikonn
dan 0,785 eV untuk germanium) dapat memindahkan elektron-elektron dari valence band ke
conduction band. Jika berada pada suhu kamar, semikonduktor mendapat cukup energi termal
untuk memindah elektron itu. Bila suatu potensial diberikan pada semikonduktor, terjadi
konduksi baik oleh karena gerakan elektron di conduction band maupun oleh karena pemindahan
hole di valence band.
Dalam hal konduktor tidak ada forbidden gap, dan valence dan conduction energy band tumpang
tindih (overlap). Karena itu, sangat banyak elektron tersedia untuk menimbulkan konduksi,
sekalipun pada suhu yang sangat rendah.
Semikonduktor Jenis-p dan Jenis-n Semikonduktor murni disebut sebagai bahan intrinsic.
Sebelum bahan semikonduktor dapat dipakai untuk manufaktur divais, atom-atom impuriti harus
ditambahkan pada semikonduktor murni. Proses ini disebut doping, dan dengan proses ini
konduktivitas bahan dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahan semikonduktor yang telah didoping disebut bahan extrinsic.
Ada dua macam doping, doping dengan atom donor dan doping dengan atom akseptor. Doping
dengan atom donor menghasilkan elektron-elekttron bebas di conduction band (yaitu elektronelektron yang tidak terikat pada sebuah atom). Doping dengan atom akseptor menghasilkan hole
di valence band, yaitu kekurangan elektron-elektron valensi di dalam bahan.
Doping dengan atom donor dilaksanakan dengan jalan menambahkan atom-atom impuriti yang
mempunyai lima elektron dan tiga hole di orbit valensi. Atom-atom impuriti membentuk ikatan
kovalen dengan atom silikon atau dengan atom germanium, tapi karena atom-atom
semikonduktor mempunyai hanya empat elektron dan empat hole di orbit valensinya, maka ada
kelebihan sebuah elektron orbit valensi untuk setiap atom impuriti ditambahkan. Setiap
kelebihan elektron itu masuk ke dalam conduction band sebagai sebuah elektron bebas. Karena
tidak ada hole untuk elektron kelima dari orbit terluar dari atom impuriti, karena itu, elektron tsb
menjadi elektron bebas. Karena elektron bebas mempunyai muatan negatip, bahan yang didoping dengan atom donor disebut bahan semikonduktor jenis-n.
Elektron-elektron bebas di conduction band dapat dengan mudah dgerakkan di bawah pengaruh
suatu medan listrik. Akibatnya, terjadi kebanyakan konduksi terjadi oleh gerakan elektron di
dalam bahan semikonduktor yang di-doping dengan atom donor. Bahan yang di-doping itu tetap
netral secara listrik (yaitu tidak bermuatan baik listrik positip maupun listrik negatip), karena
jumlah total elektron (termasuk elektron bebas) tetap sama dengan jumlah total proton di dalam
nucleus atom. (Jumlah proton di dalam setiap atom impuriti sama dengan banyaknya elektron
orbit.) Istilah doping dengan atom donor berasal dari kenyataan bahwa ada sebuah elektron yang
didonorkan pada conduction band oleh setiap atom impuriti. Atom impuriti donor biasanya
antimon, fosfor, dan arsen. Karena mempunyai lima elektron valensi, atom itu disebut atom-atom
pentavalen.
Pada doping dengan atom akseptor, digunakan atom-atom impuriti yang mempunyai orbit terluar
yang mengandung tiga elektron valensi dan lima hole. Atom-atom dengan tiga elektron valensi
(atom trivalen) itu adalah boron, aluminium, dan gallium. Atom-atom ini membentuk ikatan
dengan atom-atom semikonduktor, tapi ikatan itu kekurangan satu elektron untuk sebuah orbit
terluar dengan delapan elektron lengkap. Pada gambar di bawah ini, atom impuriti digambarkan
dengan mempunyai hanya tiga elektron valensi, sehingga ada hole dalam ikatannya dengan
atom-atom di sekitarnya. Jadi, doping dengan atom akseptor, hule timbul ke dalam valence band,
sehingga konduksi terjadi dengan proses pemindahan hole.
Karena hole dikatakan mempunyai muatan positip, bahan semikonduktr yang di-doping dengan
atom akseptor disebut sebagai bahan jenis-p. Separti pada jenis-n, bahan itu tetap netral secara
listrik, karena jumlah total elektron orbit dalam setiap atom sama dengan jumlah total proton di
dalam nucleus atom. Hole dapat menerima sebuah elektron bebas, karena itu disebut doping
dengan atom akseptor.
Bahkan pada bahan semikonduktor intrinsic pada suhu kamar, mempunyai sejumlah elekktron
bebas dan holes. Hal ini disebabkan oleh energi termal yang menimbulkan beberapa elektron
memutus ikatan dengan atom-atomnya dan masuk ke conduction band, jadi membentuk
pasangan-pasanngan elektron dan hole. Proses itu disebut hole-electron pair generation, dan
proses sebaliknya disebut recombination. Seperti namanya, rekombinasi terjadi bila sebuah
elektron bersatu ke dalam sebuah hole di valence band. Karena lebih banyak elektron dari pada
hole di bahan jenis-n, elektron-elektron itu disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut
pembawa muatan minoritas. Pada bahan jenis-p, hole adalah pembawa muatan majoritas dan
elektron adalah pembawa muatan minoritas.
Pengaruh Panas dan Cahaya Bila sebuah konduktor dipanasi, atom-atom (yang berada di
lokasi tetap) cenderung bergetar, dan getaran menimbulkan gerakan massa elektron di sekitarnya.
Ini berarti bahwa ada pengurangan pada aliran elektron yang membangun arus listrik, dan bahwa
resistansi konduktor telah meningkat. Suatu konduktor mempunyai suatu positive temperature
coefficient (koefisien suhu positip) dari resistansi, yaitu resistansi bertambah besar bila suhunya
naik.
Bila bahan konduktor yang belum di-doping pada suhu absolut 0oK (-273oC), praktis tidak ada
elektron bebas di conduction band dan tidak ada hole di valence band. Hal ini karena semua
elektron berada di orbit normal sekitar atom-atom. Jadi, pada suhu absolut 0oK, sebuah
konduktor berperilaku seperti insulator. Bila bahan itu dipanasi, elektron-elektron melepaskan
diri dati atom-atomnya dan bergerak dari valence band ke conduction band. Hal ini
menimbulkan hole di valence band dan elektron-elektron bebas di conuction band. Kemudian
terjadi konduksi dengan adanya gerakan elektron dan dengan adanya pemindahan hole. Semakin
besar pemberian energi termal menimbulkan semakin banyak pasangan hole-elektron. Seperti
halnya pada kondukttor, atom-atom semikonduktor juga mengalami getaran termal. Tapi, ada
sangat sedikit elektron yang timbul dibandingkan dengan kerapatan massa elektron dalam
konduktor. Timbulnya elektron secara termal merupakan faktor dominan, dan arus bertambah
besar dengan naiknya suhu. Hal ini meenunjukkan penurunan resistansi semikonduktor dengan
kenaikan suhu, yaitu koefisien suhu negatip. Perkecualian dari aturan ini adalah heavily doped
semicnductor material (bahan semikonduktor yang di-doping berat), yang lebih bersifat seperti
konduktor dari pada semikonduktor.
Sepert halnya energi termal yang menyebabkan elektron-elektron memisahkan diri dari ikatan
atomnya, juga pasangan-pasangan hole-elektron dapat ditimbulkan oleh energi yang dipancarkan
pada semikonduktor dalam bentuk cahaya. Jika bahan semikonduktor intrinsik, mempunyai
sedikit elektron bebas bila tidak disinari, jadi suatu very high dark resistance. Bila disinari,
resistansinya turun dan menjaadi dapat dibandingkan dengan konduktor. (bersambung)
TERKAIT
Teori Atom
PN Junction
Superkonduktor
Partikel Tuhan
Insulator, Semikonduktor, dan Konduktor Seperti terlihat pada gambar energy band, insulator
mempunyai forbidden gap yang lebar, semikonduktor mempunyai forbidden gap yang sempit,
dan konduktor sama sekali tidak mempunyai forbidden gap.
Dalam hal insulator, praktis tidak ada elektron di conduction band dari energy level, dan valence
band terisi. Juga, forbidden gap-nya sedemikan lebar sehingga memerlukan energi yang sangat
besar (hampir 6 eV) agar sebuah elektron dapat menyeberang dari valence band ke conduction
band. Karena itu, jika suatu tegangan dipasang pada sebuah insulator, tidak terjadi konduksi baik
oleh gerakan elektron atau oleh pemindahan/transfer hole.
Untuk semikonduktor pada suhu absolut 0oK (-273,15oC) valence band biasanya penuh, dan
tidak ada elektron pada conduction band. Tapi, forbidden gap dalam sebuah semikonduktor jauh
lebih sempit dari pada yang di insulator, dengan pemberian sedikit energi (1,2 eV untuk silikonn
dan 0,785 eV untuk germanium) dapat memindahkan elektron-elektron dari valence band ke
conduction band. Jika berada pada suhu kamar, semikonduktor mendapat cukup energi termal
untuk memindah elektron itu. Bila suatu potensial diberikan pada semikonduktor, terjadi
konduksi baik oleh karena gerakan elektron di conduction band maupun oleh karena pemindahan
hole di valence band.
Dalam hal konduktor tidak ada forbidden gap, dan valence dan conduction energy band tumpang
tindih (overlap). Karena itu, sangat banyak elektron tersedia untuk menimbulkan konduksi,
sekalipun pada suhu yang sangat rendah.
Semikonduktor Jenis-p dan Jenis-n Semikonduktor murni disebut sebagai bahan intrinsic.
Sebelum bahan semikonduktor dapat dipakai untuk manufaktur divais, atom-atom impuriti harus
ditambahkan pada semikonduktor murni. Proses ini disebut doping, dan dengan proses ini
konduktivitas bahan dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahan semikonduktor yang telah didoping disebut bahan extrinsic.
Ada dua macam doping, doping dengan atom donor dan doping dengan atom akseptor. Doping
dengan atom donor menghasilkan elektron-elekttron bebas di conduction band (yaitu elektronelektron yang tidak terikat pada sebuah atom). Doping dengan atom akseptor menghasilkan hole
di valence band, yaitu kekurangan elektron-elektron valensi di dalam bahan.
Doping dengan atom donor dilaksanakan dengan jalan menambahkan atom-atom impuriti yang
mempunyai lima elektron dan tiga hole di orbit valensi. Atom-atom impuriti membentuk ikatan
kovalen dengan atom silikon atau dengan atom germanium, tapi karena atom-atom
semikonduktor mempunyai hanya empat elektron dan empat hole di orbit valensinya, maka ada
kelebihan sebuah elektron orbit valensi untuk setiap atom impuriti ditambahkan. Setiap
kelebihan elektron itu masuk ke dalam conduction band sebagai sebuah elektron bebas. Karena
tidak ada hole untuk elektron kelima dari orbit terluar dari atom impuriti, karena itu, elektron tsb
menjadi elektron bebas. Karena elektron bebas mempunyai muatan negatip, bahan yang didoping dengan atom donor disebut bahan semikonduktor jenis-n.
Elektron-elektron bebas di conduction band dapat dengan mudah dgerakkan di bawah pengaruh
suatu medan listrik. Akibatnya, terjadi kebanyakan konduksi terjadi oleh gerakan elektron di
dalam bahan semikonduktor yang di-doping dengan atom donor. Bahan yang di-doping itu tetap
netral secara listrik (yaitu tidak bermuatan baik listrik positip maupun listrik negatip), karena
jumlah total elektron (termasuk elektron bebas) tetap sama dengan jumlah total proton di dalam
nucleus atom. (Jumlah proton di dalam setiap atom impuriti sama dengan banyaknya elektron
orbit.) Istilah doping dengan atom donor berasal dari kenyataan bahwa ada sebuah elektron yang
didonorkan pada conduction band oleh setiap atom impuriti. Atom impuriti donor biasanya
antimon, fosfor, dan arsen. Karena mempunyai lima elektron valensi, atom itu disebut atom-atom
pentavalen.
Pada doping dengan atom akseptor, digunakan atom-atom impuriti yang mempunyai orbit terluar
yang mengandung tiga elektron valensi dan lima hole. Atom-atom dengan tiga elektron valensi
(atom trivalen) itu adalah boron, aluminium, dan gallium. Atom-atom ini membentuk ikatan
dengan atom-atom semikonduktor, tapi ikatan itu kekurangan satu elektron untuk sebuah orbit
terluar dengan delapan elektron lengkap. Pada gambar di bawah ini, atom impuriti digambarkan
dengan mempunyai hanya tiga elektron valensi, sehingga ada hole dalam ikatannya dengan
atom-atom di sekitarnya. Jadi, doping dengan atom akseptor, hule timbul ke dalam valence band,
sehingga konduksi terjadi dengan proses pemindahan hole.
Karena hole dikatakan mempunyai muatan positip, bahan semikonduktr yang di-doping dengan
atom akseptor disebut sebagai bahan jenis-p. Separti pada jenis-n, bahan itu tetap netral secara
listrik, karena jumlah total elektron orbit dalam setiap atom sama dengan jumlah total proton di
dalam nucleus atom. Hole dapat menerima sebuah elektron bebas, karena itu disebut doping
dengan atom akseptor.
Bahkan pada bahan semikonduktor intrinsic pada suhu kamar, mempunyai sejumlah elekktron
bebas dan holes. Hal ini disebabkan oleh energi termal yang menimbulkan beberapa elektron
memutus ikatan dengan atom-atomnya dan masuk ke conduction band, jadi membentuk
pasangan-pasanngan elektron dan hole. Proses itu disebut hole-electron pair generation, dan
proses sebaliknya disebut recombination. Seperti namanya, rekombinasi terjadi bila sebuah
elektron bersatu ke dalam sebuah hole di valence band. Karena lebih banyak elektron dari pada
hole di bahan jenis-n, elektron-elektron itu disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut
pembawa muatan minoritas. Pada bahan jenis-p, hole adalah pembawa muatan majoritas dan
elektron adalah pembawa muatan minoritas.
Pengaruh Panas dan Cahaya Bila sebuah konduktor dipanasi, atom-atom (yang berada di
lokasi tetap) cenderung bergetar, dan getaran menimbulkan gerakan massa elektron di sekitarnya.
Ini berarti bahwa ada pengurangan pada aliran elektron yang membangun arus listrik, dan bahwa
resistansi konduktor telah meningkat. Suatu konduktor mempunyai suatu positive temperature
coefficient (koefisien suhu positip) dari resistansi, yaitu resistansi bertambah besar bila suhunya
naik.
Bila bahan konduktor yang belum di-doping pada suhu absolut 0oK (-273oC), praktis tidak ada
elektron bebas di conduction band dan tidak ada hole di valence band. Hal ini karena semua
elektron berada di orbit normal sekitar atom-atom. Jadi, pada suhu absolut 0oK, sebuah
konduktor berperilaku seperti insulator. Bila bahan itu dipanasi, elektron-elektron melepaskan
diri dati atom-atomnya dan bergerak dari valence band ke conduction band. Hal ini
menimbulkan hole di valence band dan elektron-elektron bebas di conuction band. Kemudian
terjadi konduksi dengan adanya gerakan elektron dan dengan adanya pemindahan hole. Semakin
besar pemberian energi termal menimbulkan semakin banyak pasangan hole-elektron. Seperti
halnya pada kondukttor, atom-atom semikonduktor juga mengalami getaran termal. Tapi, ada
sangat sedikit elektron yang timbul dibandingkan dengan kerapatan massa elektron dalam
konduktor. Timbulnya elektron secara termal merupakan faktor dominan, dan arus bertambah
besar dengan naiknya suhu. Hal ini meenunjukkan penurunan resistansi semikonduktor dengan
kenaikan suhu, yaitu koefisien suhu negatip. Perkecualian dari aturan ini adalah heavily doped
semicnductor material (bahan semikonduktor yang di-doping berat), yang lebih bersifat seperti
konduktor dari pada semikonduktor.
Sepert halnya energi termal yang menyebabkan elektron-elektron memisahkan diri dari ikatan
atomnya, juga pasangan-pasangan hole-elektron dapat ditimbulkan oleh energi yang dipancarkan
pada semikonduktor dalam bentuk cahaya. Jika bahan semikonduktor intrinsik, mempunyai
sedikit elektron bebas bila tidak disinari, jadi suatu very high dark resistance. Bila disinari,
resistansinya turun dan menjaadi dapat dibandingkan dengan konduktor. (bersambung)
TERKAIT
Teori Atom
PN Junction
Superkonduktor
Partikel Tuhan