ELEKTRONIKA DASAR SEMIKONDUKTOR ( 1 )
MAKALAH
ELEKTRONIKA DASAR 1
“SEMI KONDUKTOR”
DOSEN PEMBIMBING:
Misbah, M.Pd
Oleh:
Kelompok 5
Marlina
1610121220011
Shelvi Malinda
1610121220025
Yastri Saidaturrahmah
1610121120013
Yunita Carolina
A1C415211
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT
BANJARMASIN
2017
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT, yang telah melimpahkan segala
rahmat
dan hidayah-Nya sehingga makalah ini dapat terselesaikan. Shalawat
serta salam kita limpahkan kepada junjungan Nabi Agung, Nabi Muhammad
SAW yang kita tunggu-tunggu syafaatnya nanti di hari akhir. Kami ucapkan
terima kasih kepada Ibu Misbah, M.Pd selaku dosen pengampu mata kuliah
Elektronika Dasar 1 yang telah memberikan banyak ilmu dan pengarahan.
Akhir kata kami mohon maaf apabila ada banyak kesalahan pada
penulisan kata-kata serta kalimat. Oleh karena itu, kami meminta kritik dan
saran untuk lebih membangun dan menambah ilmu. Selanjutnya kami berharap
dari makalah ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Aamiin.
Banjarmasin, 23 September 2017
Penyusun
DAFTAR ISI
Halaman Sampul........................................................................................... i
KATA PENGANTAR................................................................................
ii
DAFTAR ISI...............................................................................................
iii
BAB I PENDAHULUAN...........................................................................
1
A. LATAR BELAKANG.................................................................... 1
B. RUMUSAN MASALAH................................................................
1
C. TUJUAN PENULISAN..................................................................
1
BAB II PEMBAHASAN............................................................................
2
A. PENGERTIAN SEMIKONDUKTOR..........................................
B. STRUKTUR KRISTAL DARI SEMIKONDUKTOR................ 2
C. KLASIFIKASI SEMIKONDUKTOR…………………………..
3
1. Semikonduktor Intrinsik…………………………………….
2. Semikonduktor Ekstrinsik………………………………….. 7
D. KONDUKSI DALAM SEMIKONDUKTOR…………………..
7
BAB III PENUTUP....................................................................................
12
A. KESIMPULAN...............................................................................
16
B. SARAN............................................................................................
20
DAFTAR PUSTAKA.................................................................................
20
20
21
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Apabila kita berbicara tentang elektronika maka tidak akan lepas dari
semikonduktor. Material semikonduktor terdiri atas atom-atom yang berukuran
sangat kecil. Atom-atom ini terdiri atas inti yang dikelilingi oleh sejumlah
elektron. Inti sendiri terdiri atas neutron dan proton. Proton bermuatan positif,
elektron bermuatan negatif, sedangkan neutron netral. Elektron-elektron yang
mengelilingi inti ini tersebar pada beberapa lapisan kulit dengan jarak tertentu dari
nukleus, dimana energinya semakin meningkat seiring dengan meningkatnya jarak
dari setiap lapisan kulit terhadap inti. Elektron pada lapisan terluar disebut
elektron valensi. Aktifitas kimiawi dari sebuah unsur terutama ditentukan oleh
jumlah elektron valensi ini. Semikonduktor merupakan elemen dasar dari
komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC. Didalam pengelompokan
bahan-bahan listrik dikenal ada 3 macam, yaitu konduktor, isolator dan
Semikonduktor. Suatu bahan dikatakan konduktor apabila memiliki hantaran
listrik yang besar. Suatu bahan dikatakan isolator apabila memiliki hantaran listrik
(konduktance) yang kecil. Suatu bahan dikatakan semi-konduktor apabila dapat
memiliki hantaran listrik yang nilainya bervariasi diantara konduktor dan isolator.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, dapat diambil rumusan masalah pada
makalah ini adalah:
1. Apa itu Semikonduktor?
2. Bagaimana struktur Kristal dari semikonduktor?
3. Apa saja klasifikasi dari semikonduktor?
C. Tujuan Penulisan
Maksud dan tujuan dalam penulisan makalah ini adalah:
1.
Untuk mengetahui tentang semikonduktor
2. Untuk mengetahui struktur Kristal dari semikonduktor
3. Untuk mengetahui klasifikasi dari semikonduktor
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengertian Semikonduktor
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat
elektronika, digunakan misalnya untuk membat diode, transistor, dan IC
(Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi
banyak transistor dan resistor dalam sekeping Kristal semikonduktor denga
ukuran di bawah 1 mm2.
Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah
Kristal silicon. Dahulu orang juga menggunakan unsur germanium. Kedua unsur
itu merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal gallium-arsenida yang
terbentuk dari unsur gallium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok
IV, sehingga dapat pula digunakan pula untuk membentuk bahan semikonduktor.
Kristal ini kini banyak digunakan untuk membuat lampu LED yang dipakai untuk
lampu penunjuk dan lasesr diode. Kristal GaAs juga digunakan untuk membuta
transistor yang dapat bekerja hingga daerah frekuensi tinggi, yaitu dalam daerah
gelombang mikro. Semikonduktor umumnya diklasifikasikan berdasarkan
listriknya pada suhu kamar yakni dalam rentang
2
9
10 −10 Ωcm . Sebuah
semikonduktor akan bersifat isolator pada temperature yang sangat rendah, namun
pada temperature ruang akan bersifat konduktor. Sesuai dengan namanya,
semikonduktor (setengah Penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya
antara daya hantar konduktor dan daya hantar isolator, sifat tersebut dipengaruhi
oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan yang terdapat pada pita energy.
Semikonduktor adalah atom yang berisi empat electron valensi. Karena
jumlah electron valensi di dalam semikonduktor adalah ditengah antara satu
(konduktor) dan delapan (isolator). Atom-atom bahan semikonduktor membentuk
Kristal dengan struktur tetrahedral dengan ikatan kovalen. Bahan semikonduktor
yang banyak digunakan adalah sillikon (S), germanium (Ge) dan karbon (C).
Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen-komponen zat
padat (solid state) sedangkan karbon terutama untuk membuat resistor dan
potensiometer. Baik Si maupun Ge mempunyai valensi 4. Empat electron valensi
tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi sehingga setiap electron valensi akan
membentuk ikatan kovalen dengan electron valensi dari atom-atom yang
bersebelahan.
B. Struktur Kristal dari Semikonduktor
Untuk mengerti struktur kristal, kita harus ingat apakah atom itu. Atom
terdiri atas inti dan elektron yang terikat pada inti itu. Dalam model atom Bohr,
elektron bergerak diatas lintasan tertentu dan memiliki energi tertentu. Energi dari
elektron tidak bebas, tetapi hanya bisa memiliki nilai-nilai tertentu. Hal ini
diakatakan energi terkuantisasi dan dijelaskan lebih detail dalam mekanika
kuantum. Elektron yang terikat pada atom memiliki energi negatif dibandingkan
dengan energi dari elektron bebas. Harga mutlak dari energi negatif itu disebut
sebagai energi ikatan elektron. Karena adanya energi ikatan itu yang membuat
energi elektron lebih rendah daripada elektron bebas, maka elektron tetap pada
inti masing-masing dan tidak melepaskan diri dari inti, karena setiap sistem fisik
selalu masuk ke dalam keadaan energi yang paling rendah. Hanya kalau elektron
tersebut diberikan energi yang lebih tinggi daripada energi ikatan, elektron bisa
lepas dari intinya.
Dalam suatu kristal atau molekul, elektron-elektron luar dari atom-atom
dipakai sebagai elektron ikatan. Terdapat beberapa jenis ikatan. Yang pertama
adalah jenis ikatan seperti yang didapatkan di dalam logam di mana satu elektron
dari setiap atom dipakai untuk mengikat kristal secara keseluruhan. Elektron yang
dipakai dalam ikatan ini tidak terikat kepada satu atom tertentu, tetapi bisa
bergerak secara bebas dalam seluruh kristal. Oleh sebab itu di dalam logam
terdapat banyak elektron bebas dan arus listrik bisa mengalir dengan mudah.
Jenis ikatan yang lain adalah ikatan kovalen atau ikatan elektron atau
ikatan pasangan yang terjadi dalam molekul, dalam kristal isolator dan dalam
semikonduktor. Dalam ikatan kovalen, dua elektron luar (elektron valensi) dari
dua atom yang berbeda membentuk satu pasangan elektron yang terikat pada
kedua atom. Melalui pasangan elektron ini kedua atom menjadi terikat satu sama
yang lain.
Dalam semikonduktor semua elektron valensi dipakai untuk ikatan
pasangan dengan atom lain dari kristal. Semikonduktor adalah atom dari golongan
IVA dalam sistem periodik unsur, berarti atom semikonduktor memiliki 4 elektron
valensi, dengan kata lain ada 4 elektron luar yang bisa dipakai untuk ikatan kimia
dalam molekul atau dalam kristal. Semikonduktor yang paling sering dipakai
dalam elektronika adalam Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Galliumarsenide
(GaAs), dimana Galliumarsenide bukan satu zat, tetapi campuran dari Gallium
(dengan tiga elektron valensi) dan Arsen (dengan 5 elektron valensi). Sifat dari
GaAs mirip dengan sifat dari semikonduktor lain (Si dan Ge).
Struktur kristal dari semikonduktor tersebut adalah struktur Tetraeder atau
struktur intan. Dalam struktur ini setiap atom memiliki 4 atom tetangga. Dalam
kristal semikonduktor, antara setiap tetangga terdapat satu ikatan elektron dengan
dua elektron yang berasal dari masing-masing atom. Struktur ini bisa
digambarkan dalam dua dimensi (berarti dalam bidang) seperti dalam gambar 1.
Berarti dalam semikonduktor semua elektron terikat pada atom tertentu dan tidak
ada elektron yang bisa bergerak secara bebas. Situasi ini sama seperti dalam
isolator. Tetapi ada perbedaan antara semikonduktor dan isolator, yaitu dalam
semikonduktor elektron yang dipakai untuk ikatan hanya terikat dengan lemah.
Kalau elektron terikat secara lemah, berarti elektron itu bisa dilepaskan dari
ikatannya dengan mudah. Kalau elektron sudah dilepaskan dari ikatannya,
elektron itu bisa bergerak dalam kisi dan membawa arus listrik.
Suatu elektron baru dilepaskan kalau diberikan energi setingi energi ikatan
dari elektron itu. Pada suhu nol Kelvin (absolut nol) tidak ada gerakan termis
dalam kisi dan elektron tidak bisa dilepaskan, maka semikonduktor merupakan
isolator yang baik pada suhu absolut nol. Kalau suhu lebih tinggi, terjadi gerakan
termis dalam kisi dan terdapat kebolehjadian bahwa elektron diberikan energi
yang cukup tinggi untuk keluar dari ikatannya. Semakin tinggi suhu, semakin
banyak elektron dilepaskan dari ikatannya. Elektron yang dilepaskan dari
ikatannya bisa bergerak dengan bebas. Elektron itu disebut elektron konduksi.
Gambar 1. Prinsip struktur Kristal dari semikonduktor
Elektron
konduksi
memberikan
konduktivitas
kepada
kristal.
Komduktivitas yang dihasilkan oleh elektron disebut konduktivitas elektron.
Energi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari ikatan menjadi
elektron konduksi disebut energi aktivasi (activation energy) dan kita akan
memakai lambang ∆W untuk energi aktivasi itu.
Kalau satu elektron dilepaskan dari ikatannya, maka tempat elektron itu
akan menjadi kosong. Tempat kosong seperti itu disebut lowong atau hole. Kalau
terdapat satu tempat lowong, maka elektron ikatan yang ada di sebelah tempat
lowong itu bisa pindah tempat dengan mudah masuk ke dalam tempat lowong
tersebut. Dengan cara ini tempat yang lowong telah pindah ke sebelahnya. Kalau
proses ini terjadi terus-menerus, tempat yang lowong itu bergerak terus dalam
atom. Karena satu tempat lowong merupakan satu tempat dimana jumlah elektron
lebih sedikit daripada jumlah muatan inti, maka satu tempat lowong seperti satu
partikel yang bermuatan positif. Kalau tempat lowong sebagai muatan yang
positif bergerak di dalam kristal, maka terdapat arus listrik dari tempat lowong
yang bergerak. Jadi tempat lowong itu bersifat seperti satu partikel yang bergerak.
Partikel ini disebut secara singkat sebagai “lowong”. Hal ini berarti bahwa lowong
juga menghasilkan konduktivitas dalam kristal. Konduktivitas ini dsebut
konduktivitas lowong atau hole conductivity.
Kalau satu elektron dilepaskan dari tempatnya, selalu terdapat satu
elektron bebas dan satu lowong bersama-sama. Oleh sebab itu melepaskan satu
elektron dari tempatnya disebut ciptaan pasangan atau generasi (dari
generation). Setelah terjadi ciptaan pasangan, terdapat dua partikel bermuatan
yang bisa bergerak dan membawa arus listrik, berarti terdapat konduktivitas dalam
kristal ini. Konduktivitas yang terjadi oleh ciptaan pasangan disebut
konduktivitas diri ( self conductivity ) dari semikonduktor. Kalau satu elektron
bebas tiba di satu lowong, elektron dan lowong bisa bergabung kembali, berarti
elektrok masuk ke dalam lowong dan menjadi elektron terikat lagi. Proses ini
disebut rekombinasi ( dari recombination ). Dengan terjadinya proses
rekombinasi muatan yang bisa bergerak dan membawa arus berkurang satu
elektron dan satu lowong. Dalam keadaan keseimbangan termis, jumlah ciptaan
pasangan per waktu dan jumlah rekombinasi per waktu adalah sama.
Dalam keseimbangan termis, jumlah generasi dan jumlah rekombinasi
sama, berarti kerapatan elektron konduktivitas dan lowong konstan. Tetapi kalau
suhu lebih tinggi, jumlah elektron yang mendapatkan energi tinggi dan bisa
menjadi elektron bebas lebih banyak. Oleh sebab itu konsentrasi elektron
kpnduksi n dan konsentrasi lowong p tergantung dari suhu T dan dari energi
aktivasi ∆W , dimana perkalian dari kedua konsentrasi tersebut , n.p , akan
merupakan satu konstanta yang tergantung suhu dan energi aktivasi :
n . p=N L N V e
−∆ W
kT
(1)
=n2i
Di mana :
∆W
: energi aktivasi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari
ikatan elektron menjadi elektron bebas.
N L , N V : Dua konstanta yang tergantung suhu dan massa efektif dari
elektron/lowong yang disebut kerapatan keadaan efektif.
Dalam semikonduktor murni (semikonduktor murni juga disebut
semikonduktor intrinstik dari bahasa inggris : intrinstic semoconductor ) jumlah
lowong dan jumlah elektron bebas selalu sama, maka konsentrasi elektron
sama
dengan
konsentrasi
lowong
p ,
maka
n= p=ni
.
n
Dalam
semikonduktor dengan atom tambahan dari unsur lain, seperti yang akan
dibicarakan dalam pasal berikut, jumlah elektron bebas dan jumlah lowong tidak
akan sama , tetapiperkalian dari kedua konsentrasi ini akan tetap ikut persaman
(7.10).
Ni
∆W
Bahan
13
−3
Ge
0.67 eV
2.5 .
10 cm
13
−3
Si
1.1 eV
1.5 .
10 cm
13
−3
GaAs
1.43 eV
9.2 .
10 cm
Tabel 7.1 : Data dari beberapa bahan semikonduktor.
Persamaan (1) didapatkan dari perhitungan termodinamika dengan
memperlihatkan situasi dalam keadaan termis dan distribusi energi yang terdapat
dalam stuasi tersebut. Dari situ dapat dilihat bahwa jumlah partikel yang
mempunyai muatan dan bisa bergerak tergantung suhu secara eksponensial.
Dengan sifat ini dan (7.9) yang menunjukkan ketergantungan konduktivitas jenis
σ
dari jumlah muatan yang bisa bergerak, didapatkan kesimpulan bahwa
konduktivitas jenis σ
akan tergantung suhu secara eksponensial :
∆W
σ =A ( T ) e−β kT
(2)
Di mana:
A (T )
: Satu konstanta yang tergantung dari mobilitas dari elektron dan
lowong
β
: Satu konstanta tanpa dimensi
k
: Konstanta Boltzmann
Jadi, konduktivitas naik terhadap suhu karena dengan bertambahnya suhu,
jumlah muatan ikut bertambah. Ketergantungan mobalitas dari suhu jauh lebih
kecil daripada ketergantungan jumlah muatan dari suhu.
C. Klasifikasi Semikonduktor
Pada umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0o
C dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Berdasarkan murni atau
tidaknya bahan semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis yaitu semikonduktor
intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Bahan semi konduktor murni, yaitu yang
terdiri dari unsur silicon saja atau unsur germanium saja disebut semikonduktor
intrinsik.
1. Semi konduktor intrinsik
Semi konduktor intrinsik merupakan bahan semi konduktor murni
yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja dan merupakan
semikonduktor murni yang tidak diberi doping atau campuran atom lainnya
yang memiliki jumlah elektron valensi yang berbeda dengan electron valensi
bahan semikonduktor. Menurut teori pita energy, pada suhu T = 0 K, pita
valensi semikonduktor terisi penuh electron, sedangkan pita konduksi kosong.
Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energy kecil, yakni dalam rentang
0,18 – 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah
energy 1,11 eV dan 0,66 eV. Pada temperature tinggi, electron keluar dari
ikatan kovalen menjadi electron bebas dan terbentuk hole. Kristal
semikonduktor silicon intrinsic terdiri dari atom silicon, yang termasuk dalam
kelompok IV pada susunan berkala. Tiap atom silicon mempunyai empat buah
electron valensi. Atom silicon menempati kisi-kisi dalam Kristal. Dalam dua
dimensi Kristal ini dapat dilukiskan seperti gambar 1a.
Tampak disini tiap atom Si terikat dengan empat buah atom silicon
lain, membentuk ikatan kovalen. Pada keadaan ini semua electron terikat pada
atom. Walaupun didalam Kristal diberi medan listrik, electron tetap terikat
dalam ikatan kovalen, sehingga tak ada muatan yang bergerak. Ini berarti taka
da arus walaupun diberi beda potensial, atau bahan bersifat sebagai isolator.
Keadaan pada gambar 2a melukiskan keadaan pada suhu amat rendah,
yaitu mendekati 0o C. pada suhu kamar banyak electron valensi yang terlepas
dari ikatan kovalen oleh karena terjadinya getaran atom. Dikatakan electron
valensi ini menjadi electron bebas oleh eksitasi termal. Makin tinggi suhu
makin banyak pula electron bebas. Jika di dalam bahan diberi medan listirk,
yaitu dengan memberikan beda potensial antara kedua ujung Kristal, electron
bebas ini akan bergerak menjadi aliran atau arus listrik. Makin tinggi suhu
makin banyak electron bebas yang terjadi dan makin besar pula arus yang
mengalir untuk beda potensial yang sama, yang berarti makin rendah
hambatannya.
Gambar 2. (a) Susunan atom pada Kristal semikonduktor silicon intrinsic,
(b) Elektron valensi dari atom Si pada A terionisasi.
Eksitasi suatu electron valensi menjadi electron bebas menyebabkan
atom silicon yang bersangkutan menjadi terionkan dan menjadi bermuatan
positif seperti ditunjukkan pada atom A gambar 1b. Karena pengaruh medan
listrik, ion silicon ini dapat menangkap electron bebas dari atom lain.
Jika ini terjadi, ion A akan menjadi netral, tetapi atom B sebagai
pemberi electron kepada ion A menjadi bermuatan positif. Jadi, adanya
pengaruh medan listrik menyebabkan perpindahan letak muatan positif dari A
ke B. Perpindahan letak muatan positif ini akan merupakan aliran listrik juga.
Kita dapat membayangkan keadaan terionkan atom silicon ini sebagai zarah
semu yang bermuatan positif, yang bebas bergerak di bawah pengaruh medan
listrik. Zarah semu ini kita sebut lubang (holes). Electron yang dibebaskan
dari ikatan kovalen kita sebut electron intrinsic, sedang lubang yang terjadi
oleh terbebasnya electron intrinsic kita sebut lubang intrinsic.
Dapatlah kita simpulkan bahwa pada semi konduktor intrinsic aliran
listrik disebabkan oleh gerak electron intrinsic dan lubang intrinsic.
Konsentrasi electron dan lubang intrinsic bergantung pada bahan dan suhu.
Electron valensi pada atom germanium lebih mudah terekstasi termik menjadi
electron bebas daripada electron valensi pada atom silicon. Ini berhubungan
dengan adanya pita-pita energy untuk electron didalam Kristal semikonduktor.
Dalam atom bebas electron hanya dapat mempunyai nilai energy
tertentu saja. Dikatakn electron hanya dapat berada pada tingkat energy
tertentu. Dalam Kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak
berdekat didalam susunan yang berkala, maka electron dapat berada pada pitapita energy. Oleh adanyaprinsip Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadaan
orbital atom hanya dapat berisi dua buah electron saja, maka untuk
semikonduktor pita-pita energy yang bawah akan terisi penuh hingga suatu
pita energy tertentu. Oleh karena setiap atom mempunyai empat buah electron
valensi, maka ada satu pita energy yang terisi penuh, dan pita energy
berikutnya kosong. Ini dilukiskan pada gambar 3a.
Gambar 3. (a) Pita-pita energy dalam semikonduktor, (b) Pta energy
valensi Ev dan pita energii konduksi Ek
Pita teratas yang terisi penuh electron disebut pita valensi, sedangkan
pita energy berikutnya (kosong) disebut pita konduksi. Keadaan ini berlaku
untuk semikonduktor pada suhu mendekati 0oK, dimana semua electron terikat
dalam ikatan kovalen. Daerah energy Ev dan Ek pada gambar 2b disebut (celah
pita (bandgap)). Ini adalah daerah energy terlarang untuk electron
semikonduktor intrinsic, yang hanya boleh berada dalam pita valensi atau pita
konduksi. Suatu electron yang terekstasi termal menjadi electron bebas dapat
dibayangkan sebagai melompat dari pita valensi ke pita konduksi,\. Energy
yang diperlukan untuk eksitasi ini berasal dari getaran atom. Lebar celah pita
untuk semikonduktor silicon adalah kira-kira 1,2 e V dan untuk germanium
adalah 0,78 e V.
Elektorn yang berada pada pitakonduksi bebas bergerak dibawah
pengaruh medan listrik. Ini dapat kita terangkan sebagai berikut. Oleh adanya
medan listrik E electron mendapat gaya F = e E. jika dibawah pengaruh medan
listrik electron bergerak sejauh
energy sebesar
∆ x , berarti electron mendapat tambahan
∆ W =F ∆ x=e E ∆ x . Untuk electron yang berada pada pita
konduksi pertambahan energy ini dibolehkan sebab keadaan yang baru masih
didalam pita energy. Untuk electron yang berada di pita valensi, alih energy
semacam ini tidak terjadi karena akan membawa electron ke dalam celah pita
yang merupakan daerah terlarang. Beda lebar celah peta Wg antara Kristal
silicon dan germanium mengakibatkan sifat konduksi yang amat berbeda
antara silicon dan germanium. Konsentrasi electron intrinsic n i berubah
dengan suhu menurut hubungan.
3/ 2 −Wgo /2 KT
(1)
W i= A T e
W go
adalah lebar celah pita pada suhu 0 K. hubungan di atas
mencerminkan statistic Boltzmann, yang menyatakan bahwa zarah dalam
kesentimbangan termal cenderung untuk berada pada keadan energy yang
rendah.
Agar kita mendapat kesan yang nyata kita lukiskan grafik untuk persamaan 1
seperti pada gambar 4
Gambar 4. Pembawa muatan bebas
ni
dan
pi
pada germanium dan
silicon
Ionisasi Kristal germanium mulai terjadi pada suhu 250 K dan mulai
berarti pada suhu 300 K. untuk silicon ionisasi mulai terjadi pada 400 K dan
mulai berarti pada suhu 450 K.
Mungkin anda bertanya mengapa konsentrasi pembawa muatan
ni
tak berubah dengan waktu. Bukankah pembawa bebas terus terbentuk oleh
eksitasi termal yang terus menerus berlangsung? Keadaan itu disebabkan
peristiwa rekombinasi, yaitu tertangkapnya electron oleh ion silicon, sehingga
electron menjadi ikatan kovalen dari atom silicon itu. Walhasil, lubang dan
electron kedua-duanya sirna. Hal ini dapat diterangkan sebagai berikut:
electron jatuh ke lubang, sehingga lubang menjadi tertutup. Peristiwa
rekombinasi ini membebaskan energy electron yang dapat berubah menjadi
getaran atau cahaya. Anda dapat mengamati cahaya yang keluar karena
rekombinasi ini pada nyala lampu LED. Kemungkinan terjadinya rekombinasi
sebanding dengan
n p . Makin banyak dihasilkan electron dan lubang makin
sering pula terjadi rekombinasi, sehingga akan terjadi suatu keadaan yang
mantap antara terbentuk dan sirnanya pembawa muatan bebas, dan kerapatan
pembawa muatan bebas tak lagi berubah dengan waktu.
Ada dua cara menjadikan bahan semikonduktor intrinsik menjadi
konduktor, yaitu:
- Dipanasi: Semikonduktor
yang
suhunya
dinaikkan
maka
gerak
elektronnya makin cepat sehingga memungkinkan adanya electron
meloncat dari pita valensi ke pita konduksi.
-
Dikotori dengan atom lain: Semikonduktor yang dicampuri (dikotori)
dengan atom lain, misalnya Ge dicampur dengan As (Arsenium).
2. Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang telah
terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya. 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 electron maupun hole dalam pita energy. Dengan demikian,
konsentrasi electron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole,
namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan
ketidakmurnian.
Telah disebutkan sebelumnya bahwa semikonduktor yang digunakan
untuk membuat diode dan transistor adalah semikonduktor ekstrinsik, yang
dibuat dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan atom unsur dari
kelompok III atau kelompok V dalam susunan berkala.
Campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan atom unsuk
kelompok V dalam susunan berkala mengandung lebih banyak electron
daripada lubang, sehingga pembawa muatan bebasnya bermuatan negative.
Semikonduktor
ekstrinsik
yang
dibuat
dengan
bahan
ini
disebut
semikonduktor jenis n. sebaliknya, campuran bahan semikonduktor intrinsik
dengan atom unsur dari kelompok III dalam susunan berkala mengandung
lebih banyak lubang daripada electron. Akibatnya pembawa muatan bebas
yang utama bermuatan positif. Semikonduktor yang dibuat dengan bahan
campuran seperti ini disebut semikonduktor jenis p.
a. Semikonduktor jenis-n.
Semikonduktor dengan konsentrasi electron lebih besar dibandingkan
konsentrasi hole, dapat diperoleh dengan menambahkan atom donor.
Semikonduktor jenis n menggunakan bahan semikonduktor intrinsik yang
dicampur misalnya dengan atom As (kelompok V dalam susunan berkala).
Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik di dalam kisi
Kristal semikonduktor. Gambar 5 menunjukkan Kristal semikonduktor
intrinsik silicon yang diberikan campuran atom As.
Gambar 5. (a) Kristal emikonduktor silicon dicamour atom As,
(b) Atom donor As terionisasi memberikan electron
ekstrinsik dan ion donor As+
Atom As mempunyai lima buah electron valensi, sehingga dalam
ikatan kovalen dengan atom silicon di dalam Kristal terdapat kelebihan
satu electron valensi. Electron ini terikat amat lemah dan mudah sekali
terlepas, dan disebut electron donor atau electron ekstrinsik, sedang atom
As disebut atom donor. Pada suhu 50 oK hamper semua atom donor
terionkan, sedangkan atom silicon baru terionisasi oleh eksitasi termal
pada suhu 450oK.
Ion donor yang ditinggalkan bermuatan positif, namun tak dapat
menangkap electron bebas seperti hanya ion silicon, karena daya ikatnya
yang amat lemah. Ion donor ini berlaku sebagai muatan tak bebas. Pada
suhu kamar sudah ada sejumlah electron yang terlepas dari atom silicon,
yaitu elektorn intrinsic yang menimbulkan lubang intrinsik. Jadi di dalam
semikonduktor jenis n ada berbagai pembawa muatan, yaitu lubang serta
electron intrinsic, electron ekstrinsik dan ion donor yang tak bebas
bergerak. Agar lebih jelas ini dilukiskan pada gambar 5.
Gambar 6. Muatan-muatan dalam semikonduktor jenis-n
Perubahan rapat pembawa muatan bebas dalam semikonduktor jenis p-n
adalah seperti pada gambar 7.
Gambar 7. Rapat pembawa muatan bebas pada semikonduktor jenis-n
sebagai fungsi suhu.
Pada gambar ini
400 0 K
n
n=ne + ni . Pada suhu di antara
0
110 K
dan
tak berubah dengan suhu sebab seluruh atom donor sudah
terionkan, sehingga
ne =N d , yaitu kerapatan atom donor. Jumlah
electron intrinsic yang terbentuk pada suhu ini belum cukup berarti. Pada
suhu diatas
0
450 K
intrinsik mulai berarti.
kerapatan electron intinsik
Pada suhu diatas
0
500 K
ni
dan lubang
semikonduktor
ekstrinsik ini boleh dikata sudah bersifat intrinsic oleh karena jumlah
electron bebas hamper sama dengan jumlah lubang.
Pada suhu kamar jumlah electron bebas pada semikonduktor jenisn jauh lebih besar daripada jumlah lubang. Oleh sebab itu electron bebas
didalam semikonduktor jenis-n disebut pembawa muatan mayoritas, dan
lubang disebut pembawa muatan minoritas. Bagaimana halnya dengan
konduktivitas semikonduktor sekstrinsik? Untuk semikonduktor jenis-n
berlaku
μn N n+ μ p Pn
)
(5)
σ n =q ¿
Akan tetapi untuk semikonduktor jenis-n pada suhu kamar rapat oembawa
muatan intrinsic jauh lebih kecil daripada rapat pembawa muatan
ekstrinsik, dan pada suhu kamar seluruh atom donor sudah terionisasi.
Akibatnya
daripada
N n ≅ N d , yaitu konsentrasi atom donor yang jauh lebih besar
ni atau
Pn . Pada persamaan (5)
lubang pada semikonduktor jenis-n.
Pn
Pn
adalah kerapatan
tak sama dengan
pi
oleh
karena adanya rekombinasi antara electron dan lubang. Oleh karena itu
konduktivitas semikonduktor jenis-n adalah
σ n =q μn N d
Kerapatan pembawa muatan minoritas
kerapatan lubang intirnsik
Pn
.(6)
lebih kecil daripada
pi . Seperti telah diungkapkan didepan,
didalam semikonduktor terjadi rekombinasi antara electron dan lubang.
Laju rekombinasi dalam semikonduktor sebanding dengan hasil kali
kerapatan electron dan kerapatan lubang, yaitu
Nn
Pn . Akan tetapi
pada suhu kamar hamper semua muatan bebas yang terbentuk hanyalah
oleh ionisasi atom silicon yang membentuk electron intrinsic dan lubang
intrinsic.
Oleh karena
laju rekombinasi
muatan
intrinsic untuk
semikonduktor ekstrinsik adalah sama seperti pada semikonduktor
intrinsic, maka
N n P n=ni p i=ni2= pi2
(7)
Akibatnya kerapatan pembawa minoritas didalam semikonduktro jenis-n
adalah
P n=
pi2
Nd
(8)
b. Semikonduktor jenis-p
Pada semikonduktor jenis-p, atom dari kelompok III dalam
susunan berkala misalnya gallium, dibubuhkan ke dalam Kristal
semikonduktor intrinsic. Gambar 7 menunjukkan atom didalam Kristal
semikonduktor jenis-p. Oleh Karena gallium termasuk kelompok III pada
susunan berkala, atom Ga mempunyai tiga buah electron valensi.
Akibatnya, dalam bergandengan dengan atom silicon didalam Kristal atom
Ga memerlukan satu electron lagi untuk berpasangan dengan atom Si.
Oleh sebab itu atom Ga mudah menangkap electron, sehingga sidebut
atom akseptor. Jika ini terjadi atom akseptor menjadi kelebihan selketron
sehingga menjadi bermuatan negative. Dalam hal ini dikatakan atom
akseptor terionkan.
Gambar 8. (a) susunan atom dalam semikonduktor jenis-p, (b) Lubang
ekstrinsik dan ion akseptor pada semikonduktor jenis-p.
Ion akseptor ini mempunyai muatan tak bebas, oleh karena tak
bergerak dibawah pengaruh medan listrik luar. Ion silicon yang
elektronnya ditangkap oleh atom akseptor terbentuk menjadi lubang, yang
disebut lubang ekstrinsik. Perhatikan bahwa didalam semikonduktor jenisp juga terjadi electron bebas intrinsic dan lubang intrinsic oleh karena
eksitasi termal atom silicon. Jelas pada semikonduktor jenis-p, lubang
merupakan pembawa muatan yang utama, sehingga disebut pembawa
muatan mayoritas. Disini electron bebas merupakan pembawa muatan
minoritas. Seperti halnya pada semikonduktor jenis-n. konduktivitas
semikonduktor jenis-p adalah
μp
σ p =q μ p N a
adalah mobilitas lubang dan N a
(9)
adalah konsentrasi atom
akseptor. Hal yang serupa berlaku untuk rapat pembawa muatan minoritas
N p , yaitu
2
N p=
ni
Na
(10)
D. Konduksi dalam semikonduktor
Kita telah mempelajari bahwa dalam semikonduktor intrinsic ada dua
pembawa muatan yaitu electron dan lubang. Kerapatan electron intrinsik
dan lubang intrinsik
ni
pi . Amat bergantung pada suhu dan jenis atom dalam
Kristal semikonduktor. Sekarang marilah kita telurusi hubungan kerapatan
pembawa muatan bebas ini dengan sifat konduksi Kristal semikonduktor. Kita
semua tahu bahwa arus listrik I menyatakan jumlah muatan listrik yang
mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu. Gerak pembawa muatan
bebas ini tidaklah lurus, tetapi terus berubah arah oleh adanya pertumbukan
dengan atom dalam Kristal.
Misalkan antara kedua ujung Kristal semikonduktor kita beri beda
potensial sehingga terjadi medan listrik dengan kuat medan E. Di bawah
pengaruh medan ini electron dan lubang akan bergerak dalam arah
berlawanan. Lubang bergerak ke arah medan listrik dan electron kea rah yang
berlawanan. Gerak kedua macam pembawa muatan ini mengakibatkan arus
listrik
pada arah gerak muatan positif. Sebagaimana telah dikemukakan
sebelumnya arah ini tidaklah berupa garis lurus, tetapi selalu berubah arah
oleh adanya tumbukan dengan atom, namun umumnya sejajar dengan medan
listrik. Kecepatan rata-rata gerak pembawa muatan ini disebut kecepatan
hanyut yang kita nyatakan dengan v . Misalkan kerapatan pembawa muatan
bebas adalah n, yaitu tiap satuan volume ada n buah pembawa muatan. Dalam
waktu
∆t
akan tersapu volume sebesar A
penampang. Berarti ada n
v ∆t
v ∆ t , dengan A adalah luas
A pembawa muatan, atau muatan sebesar
q n v ∆t A
menembus suatu penampang. Jika tiap pembawa muatan bebas
mempunyai muatan q
maka, Ini berarti arus
2 n v ∆t A
I=
=q n v A
(2)
∆t
Kita definisikan rapat arus J sebagai arus yang mengalir tiap satuan luas
penampang, sehingga
J =n q v . Kita tahu bahwa jika sebatang konduktor
dialiri arus listrik, besar arus listrik adalah sama sepanjang batang konduktor.
Ini berarti kecepatan rata-rata pembawa muatan, yaitu v juga tetap besarnya.
Bukankah ini aneh? Pembawa muatan bergerak dibawah pengaruh
medan listrik, yang berarti mendapat gaya, bukankah menurut hokum II
Newton pembawa muatan akan mendapat percepatan, sehingga kecepatannya
akan bertambah terus? Ini betul dalam daerah antara tumbukan. Adanya
tumbukan akan menyebabkan hilangnya sebagian tenaga pembawa muatan,
sehingga pengaruh rata-ratanya adalah seperti gerak benda di dalam zat cair
yang kental. Disini pada benda bekerja juga gaya gesekan yang sebanding
dengan kecepatan akan tetapi melawan gerak. Peristiwa ini terjadi pada sebuah
bola besi di dalam suatu cairan (misalnya gliserin), yang bergerak ke bawah
oleh pengaruh gaya berat. Pada suatu saat gaya gesekan akan sama dengan
gaya berat, sehingga bola bergerak dengan kecepatan tetap, yang disebut
kecepatan terminal. Makin besar gaya berat makin besar pula kecepatan
terminalnya. Mudah ditunjukkan bahwa kecepatan terminal ini berbanding
lurus dengan gaya berat.
Peristiwa serupa dapat dibayangkan terjadi pada aliran pembawa
muatan bebas dalam bahan padat dibawah pengaruh medan listrik. Kecepatan
hanyut adalah suatu kecepatan terminal, sebanding dengan medan listrik E.
Dapatlah kita tuliskan:
v =μ E
(3)
Tetapan μ disebut mobilitas pembawa muatan bebas. Makin besar μ
makin besar pula kecepatan hanyut
v , yang berarti makin besar arus yang
mengalir. Jika kita gunakan persamaan 3 pada persamaan 2 akan diperoleh
J =n q μ E atau J =σ E
(4)
σ =n q μ , disebut konduktivitas. Persamaan 4 adalah bentuk umum hokum
Ohm. Dari persamaan ini dapatlah diturunkan
V =I R , dengan
R= ρ
l
A
untuk konduktor dengan panjang l
A , dan
ρ=
1
σ
dan penampang serba sama dengan luas
adalah hambatan jenis.
Bahan
Mobilitas pada 300 k
2
cm
(
−sec )
volt
Mobilitas pada suhu T
(kira-kira)
7
Electron bebas
3900
Ge
9
Lubang
1900
Elektron
bebas
1350
Lubang
1480
−1,66
4,9 x 10 T
(100−300 o K )
−2,33
1,05 x 10 T
0
125−300 K
¿
9 −2,5
2,1 x 10 T
160−4000 K
¿
9 −2,7
2,3 x 10 T
0
150−400 K
¿
Si
Kembali kepada semikonduktor intrinsik, mobilitas electron dan lubang
tidaklah sama, sehingga mobilitas electron kita tulis
kita tulis
μ p . Untuk semikonduktor, konduktivitas
adalah rapat electron dan
intrinsic
dengan
p
μn
dan mobilitas lubang
n μn + p μ p
). Besaran n
σ=q ¿
adalah rapat lubang. Untuk semi konduktor
ni= pi . Untuk semikonduktor ekstrinsik
n
belum tentu sama
p . Mobilitas juga bergantung pada suhu, ditunjukkan pada tabel di
atas.
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat
elektronika, digunakan misalnya untuk membat diode, transistor, dan IC
(Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi
banyak transistor dan resistor dalam sekeping Kristal semikonduktor denga
ukuran di bawah 1 mm2. Bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah
sillikon (S), germanium (Ge) dan karbon (C).
Struktur kristal dari semikonduktor tersebut adalah struktur Tetraeder atau
struktur intan. Dalam struktur ini setiap atom memiliki 4 atom tetangga. Dalam
kristal semikonduktor, antara setiap tetangga terdapat satu ikatan elektron dengan
dua elektron yang berasal dari masing-masing atom. Semikonduktor terbagi
menjadi 2 yaitu semikonduktor intrinsic dan semikonduktor ekstrinsik. Kemudian
semikonduktor ekstrinsik terbagi menjadi 2 yaitu semikonduktor jenis-n dan
semikonduktor jenis-p.
B. Saran
Penulis bersedia menerima kritik dan saran yang positif dari pembaca
sebagai bahan pertimbangan yang memperbaiki makalah ini di kemudian hari.
Semoga makalah berikutnya dapat penulis selesaikan dengan hasil yang lebih baik
lagi
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, Jayadin. 2007. Electronik book: Elektronika Dasar. Yogyakarta: UNY.
Blocher, Richard. 2004. Dasar Elektronika. Yogyakarta: CV. ANDI OFFSET.
Misbah. 2015. Hand Out Elektronika Dasar. Banjarmasin: FKIP ULM.
Sutrisno. 1986. Elektronika; Teori Dasar dan Penerapannya. Bandung : ITB.
ELEKTRONIKA DASAR 1
“SEMI KONDUKTOR”
DOSEN PEMBIMBING:
Misbah, M.Pd
Oleh:
Kelompok 5
Marlina
1610121220011
Shelvi Malinda
1610121220025
Yastri Saidaturrahmah
1610121120013
Yunita Carolina
A1C415211
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT
BANJARMASIN
2017
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT, yang telah melimpahkan segala
rahmat
dan hidayah-Nya sehingga makalah ini dapat terselesaikan. Shalawat
serta salam kita limpahkan kepada junjungan Nabi Agung, Nabi Muhammad
SAW yang kita tunggu-tunggu syafaatnya nanti di hari akhir. Kami ucapkan
terima kasih kepada Ibu Misbah, M.Pd selaku dosen pengampu mata kuliah
Elektronika Dasar 1 yang telah memberikan banyak ilmu dan pengarahan.
Akhir kata kami mohon maaf apabila ada banyak kesalahan pada
penulisan kata-kata serta kalimat. Oleh karena itu, kami meminta kritik dan
saran untuk lebih membangun dan menambah ilmu. Selanjutnya kami berharap
dari makalah ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Aamiin.
Banjarmasin, 23 September 2017
Penyusun
DAFTAR ISI
Halaman Sampul........................................................................................... i
KATA PENGANTAR................................................................................
ii
DAFTAR ISI...............................................................................................
iii
BAB I PENDAHULUAN...........................................................................
1
A. LATAR BELAKANG.................................................................... 1
B. RUMUSAN MASALAH................................................................
1
C. TUJUAN PENULISAN..................................................................
1
BAB II PEMBAHASAN............................................................................
2
A. PENGERTIAN SEMIKONDUKTOR..........................................
B. STRUKTUR KRISTAL DARI SEMIKONDUKTOR................ 2
C. KLASIFIKASI SEMIKONDUKTOR…………………………..
3
1. Semikonduktor Intrinsik…………………………………….
2. Semikonduktor Ekstrinsik………………………………….. 7
D. KONDUKSI DALAM SEMIKONDUKTOR…………………..
7
BAB III PENUTUP....................................................................................
12
A. KESIMPULAN...............................................................................
16
B. SARAN............................................................................................
20
DAFTAR PUSTAKA.................................................................................
20
20
21
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Apabila kita berbicara tentang elektronika maka tidak akan lepas dari
semikonduktor. Material semikonduktor terdiri atas atom-atom yang berukuran
sangat kecil. Atom-atom ini terdiri atas inti yang dikelilingi oleh sejumlah
elektron. Inti sendiri terdiri atas neutron dan proton. Proton bermuatan positif,
elektron bermuatan negatif, sedangkan neutron netral. Elektron-elektron yang
mengelilingi inti ini tersebar pada beberapa lapisan kulit dengan jarak tertentu dari
nukleus, dimana energinya semakin meningkat seiring dengan meningkatnya jarak
dari setiap lapisan kulit terhadap inti. Elektron pada lapisan terluar disebut
elektron valensi. Aktifitas kimiawi dari sebuah unsur terutama ditentukan oleh
jumlah elektron valensi ini. Semikonduktor merupakan elemen dasar dari
komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC. Didalam pengelompokan
bahan-bahan listrik dikenal ada 3 macam, yaitu konduktor, isolator dan
Semikonduktor. Suatu bahan dikatakan konduktor apabila memiliki hantaran
listrik yang besar. Suatu bahan dikatakan isolator apabila memiliki hantaran listrik
(konduktance) yang kecil. Suatu bahan dikatakan semi-konduktor apabila dapat
memiliki hantaran listrik yang nilainya bervariasi diantara konduktor dan isolator.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, dapat diambil rumusan masalah pada
makalah ini adalah:
1. Apa itu Semikonduktor?
2. Bagaimana struktur Kristal dari semikonduktor?
3. Apa saja klasifikasi dari semikonduktor?
C. Tujuan Penulisan
Maksud dan tujuan dalam penulisan makalah ini adalah:
1.
Untuk mengetahui tentang semikonduktor
2. Untuk mengetahui struktur Kristal dari semikonduktor
3. Untuk mengetahui klasifikasi dari semikonduktor
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengertian Semikonduktor
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat
elektronika, digunakan misalnya untuk membat diode, transistor, dan IC
(Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi
banyak transistor dan resistor dalam sekeping Kristal semikonduktor denga
ukuran di bawah 1 mm2.
Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah
Kristal silicon. Dahulu orang juga menggunakan unsur germanium. Kedua unsur
itu merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal gallium-arsenida yang
terbentuk dari unsur gallium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok
IV, sehingga dapat pula digunakan pula untuk membentuk bahan semikonduktor.
Kristal ini kini banyak digunakan untuk membuat lampu LED yang dipakai untuk
lampu penunjuk dan lasesr diode. Kristal GaAs juga digunakan untuk membuta
transistor yang dapat bekerja hingga daerah frekuensi tinggi, yaitu dalam daerah
gelombang mikro. Semikonduktor umumnya diklasifikasikan berdasarkan
listriknya pada suhu kamar yakni dalam rentang
2
9
10 −10 Ωcm . Sebuah
semikonduktor akan bersifat isolator pada temperature yang sangat rendah, namun
pada temperature ruang akan bersifat konduktor. Sesuai dengan namanya,
semikonduktor (setengah Penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya
antara daya hantar konduktor dan daya hantar isolator, sifat tersebut dipengaruhi
oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan yang terdapat pada pita energy.
Semikonduktor adalah atom yang berisi empat electron valensi. Karena
jumlah electron valensi di dalam semikonduktor adalah ditengah antara satu
(konduktor) dan delapan (isolator). Atom-atom bahan semikonduktor membentuk
Kristal dengan struktur tetrahedral dengan ikatan kovalen. Bahan semikonduktor
yang banyak digunakan adalah sillikon (S), germanium (Ge) dan karbon (C).
Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen-komponen zat
padat (solid state) sedangkan karbon terutama untuk membuat resistor dan
potensiometer. Baik Si maupun Ge mempunyai valensi 4. Empat electron valensi
tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi sehingga setiap electron valensi akan
membentuk ikatan kovalen dengan electron valensi dari atom-atom yang
bersebelahan.
B. Struktur Kristal dari Semikonduktor
Untuk mengerti struktur kristal, kita harus ingat apakah atom itu. Atom
terdiri atas inti dan elektron yang terikat pada inti itu. Dalam model atom Bohr,
elektron bergerak diatas lintasan tertentu dan memiliki energi tertentu. Energi dari
elektron tidak bebas, tetapi hanya bisa memiliki nilai-nilai tertentu. Hal ini
diakatakan energi terkuantisasi dan dijelaskan lebih detail dalam mekanika
kuantum. Elektron yang terikat pada atom memiliki energi negatif dibandingkan
dengan energi dari elektron bebas. Harga mutlak dari energi negatif itu disebut
sebagai energi ikatan elektron. Karena adanya energi ikatan itu yang membuat
energi elektron lebih rendah daripada elektron bebas, maka elektron tetap pada
inti masing-masing dan tidak melepaskan diri dari inti, karena setiap sistem fisik
selalu masuk ke dalam keadaan energi yang paling rendah. Hanya kalau elektron
tersebut diberikan energi yang lebih tinggi daripada energi ikatan, elektron bisa
lepas dari intinya.
Dalam suatu kristal atau molekul, elektron-elektron luar dari atom-atom
dipakai sebagai elektron ikatan. Terdapat beberapa jenis ikatan. Yang pertama
adalah jenis ikatan seperti yang didapatkan di dalam logam di mana satu elektron
dari setiap atom dipakai untuk mengikat kristal secara keseluruhan. Elektron yang
dipakai dalam ikatan ini tidak terikat kepada satu atom tertentu, tetapi bisa
bergerak secara bebas dalam seluruh kristal. Oleh sebab itu di dalam logam
terdapat banyak elektron bebas dan arus listrik bisa mengalir dengan mudah.
Jenis ikatan yang lain adalah ikatan kovalen atau ikatan elektron atau
ikatan pasangan yang terjadi dalam molekul, dalam kristal isolator dan dalam
semikonduktor. Dalam ikatan kovalen, dua elektron luar (elektron valensi) dari
dua atom yang berbeda membentuk satu pasangan elektron yang terikat pada
kedua atom. Melalui pasangan elektron ini kedua atom menjadi terikat satu sama
yang lain.
Dalam semikonduktor semua elektron valensi dipakai untuk ikatan
pasangan dengan atom lain dari kristal. Semikonduktor adalah atom dari golongan
IVA dalam sistem periodik unsur, berarti atom semikonduktor memiliki 4 elektron
valensi, dengan kata lain ada 4 elektron luar yang bisa dipakai untuk ikatan kimia
dalam molekul atau dalam kristal. Semikonduktor yang paling sering dipakai
dalam elektronika adalam Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Galliumarsenide
(GaAs), dimana Galliumarsenide bukan satu zat, tetapi campuran dari Gallium
(dengan tiga elektron valensi) dan Arsen (dengan 5 elektron valensi). Sifat dari
GaAs mirip dengan sifat dari semikonduktor lain (Si dan Ge).
Struktur kristal dari semikonduktor tersebut adalah struktur Tetraeder atau
struktur intan. Dalam struktur ini setiap atom memiliki 4 atom tetangga. Dalam
kristal semikonduktor, antara setiap tetangga terdapat satu ikatan elektron dengan
dua elektron yang berasal dari masing-masing atom. Struktur ini bisa
digambarkan dalam dua dimensi (berarti dalam bidang) seperti dalam gambar 1.
Berarti dalam semikonduktor semua elektron terikat pada atom tertentu dan tidak
ada elektron yang bisa bergerak secara bebas. Situasi ini sama seperti dalam
isolator. Tetapi ada perbedaan antara semikonduktor dan isolator, yaitu dalam
semikonduktor elektron yang dipakai untuk ikatan hanya terikat dengan lemah.
Kalau elektron terikat secara lemah, berarti elektron itu bisa dilepaskan dari
ikatannya dengan mudah. Kalau elektron sudah dilepaskan dari ikatannya,
elektron itu bisa bergerak dalam kisi dan membawa arus listrik.
Suatu elektron baru dilepaskan kalau diberikan energi setingi energi ikatan
dari elektron itu. Pada suhu nol Kelvin (absolut nol) tidak ada gerakan termis
dalam kisi dan elektron tidak bisa dilepaskan, maka semikonduktor merupakan
isolator yang baik pada suhu absolut nol. Kalau suhu lebih tinggi, terjadi gerakan
termis dalam kisi dan terdapat kebolehjadian bahwa elektron diberikan energi
yang cukup tinggi untuk keluar dari ikatannya. Semakin tinggi suhu, semakin
banyak elektron dilepaskan dari ikatannya. Elektron yang dilepaskan dari
ikatannya bisa bergerak dengan bebas. Elektron itu disebut elektron konduksi.
Gambar 1. Prinsip struktur Kristal dari semikonduktor
Elektron
konduksi
memberikan
konduktivitas
kepada
kristal.
Komduktivitas yang dihasilkan oleh elektron disebut konduktivitas elektron.
Energi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari ikatan menjadi
elektron konduksi disebut energi aktivasi (activation energy) dan kita akan
memakai lambang ∆W untuk energi aktivasi itu.
Kalau satu elektron dilepaskan dari ikatannya, maka tempat elektron itu
akan menjadi kosong. Tempat kosong seperti itu disebut lowong atau hole. Kalau
terdapat satu tempat lowong, maka elektron ikatan yang ada di sebelah tempat
lowong itu bisa pindah tempat dengan mudah masuk ke dalam tempat lowong
tersebut. Dengan cara ini tempat yang lowong telah pindah ke sebelahnya. Kalau
proses ini terjadi terus-menerus, tempat yang lowong itu bergerak terus dalam
atom. Karena satu tempat lowong merupakan satu tempat dimana jumlah elektron
lebih sedikit daripada jumlah muatan inti, maka satu tempat lowong seperti satu
partikel yang bermuatan positif. Kalau tempat lowong sebagai muatan yang
positif bergerak di dalam kristal, maka terdapat arus listrik dari tempat lowong
yang bergerak. Jadi tempat lowong itu bersifat seperti satu partikel yang bergerak.
Partikel ini disebut secara singkat sebagai “lowong”. Hal ini berarti bahwa lowong
juga menghasilkan konduktivitas dalam kristal. Konduktivitas ini dsebut
konduktivitas lowong atau hole conductivity.
Kalau satu elektron dilepaskan dari tempatnya, selalu terdapat satu
elektron bebas dan satu lowong bersama-sama. Oleh sebab itu melepaskan satu
elektron dari tempatnya disebut ciptaan pasangan atau generasi (dari
generation). Setelah terjadi ciptaan pasangan, terdapat dua partikel bermuatan
yang bisa bergerak dan membawa arus listrik, berarti terdapat konduktivitas dalam
kristal ini. Konduktivitas yang terjadi oleh ciptaan pasangan disebut
konduktivitas diri ( self conductivity ) dari semikonduktor. Kalau satu elektron
bebas tiba di satu lowong, elektron dan lowong bisa bergabung kembali, berarti
elektrok masuk ke dalam lowong dan menjadi elektron terikat lagi. Proses ini
disebut rekombinasi ( dari recombination ). Dengan terjadinya proses
rekombinasi muatan yang bisa bergerak dan membawa arus berkurang satu
elektron dan satu lowong. Dalam keadaan keseimbangan termis, jumlah ciptaan
pasangan per waktu dan jumlah rekombinasi per waktu adalah sama.
Dalam keseimbangan termis, jumlah generasi dan jumlah rekombinasi
sama, berarti kerapatan elektron konduktivitas dan lowong konstan. Tetapi kalau
suhu lebih tinggi, jumlah elektron yang mendapatkan energi tinggi dan bisa
menjadi elektron bebas lebih banyak. Oleh sebab itu konsentrasi elektron
kpnduksi n dan konsentrasi lowong p tergantung dari suhu T dan dari energi
aktivasi ∆W , dimana perkalian dari kedua konsentrasi tersebut , n.p , akan
merupakan satu konstanta yang tergantung suhu dan energi aktivasi :
n . p=N L N V e
−∆ W
kT
(1)
=n2i
Di mana :
∆W
: energi aktivasi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari
ikatan elektron menjadi elektron bebas.
N L , N V : Dua konstanta yang tergantung suhu dan massa efektif dari
elektron/lowong yang disebut kerapatan keadaan efektif.
Dalam semikonduktor murni (semikonduktor murni juga disebut
semikonduktor intrinstik dari bahasa inggris : intrinstic semoconductor ) jumlah
lowong dan jumlah elektron bebas selalu sama, maka konsentrasi elektron
sama
dengan
konsentrasi
lowong
p ,
maka
n= p=ni
.
n
Dalam
semikonduktor dengan atom tambahan dari unsur lain, seperti yang akan
dibicarakan dalam pasal berikut, jumlah elektron bebas dan jumlah lowong tidak
akan sama , tetapiperkalian dari kedua konsentrasi ini akan tetap ikut persaman
(7.10).
Ni
∆W
Bahan
13
−3
Ge
0.67 eV
2.5 .
10 cm
13
−3
Si
1.1 eV
1.5 .
10 cm
13
−3
GaAs
1.43 eV
9.2 .
10 cm
Tabel 7.1 : Data dari beberapa bahan semikonduktor.
Persamaan (1) didapatkan dari perhitungan termodinamika dengan
memperlihatkan situasi dalam keadaan termis dan distribusi energi yang terdapat
dalam stuasi tersebut. Dari situ dapat dilihat bahwa jumlah partikel yang
mempunyai muatan dan bisa bergerak tergantung suhu secara eksponensial.
Dengan sifat ini dan (7.9) yang menunjukkan ketergantungan konduktivitas jenis
σ
dari jumlah muatan yang bisa bergerak, didapatkan kesimpulan bahwa
konduktivitas jenis σ
akan tergantung suhu secara eksponensial :
∆W
σ =A ( T ) e−β kT
(2)
Di mana:
A (T )
: Satu konstanta yang tergantung dari mobilitas dari elektron dan
lowong
β
: Satu konstanta tanpa dimensi
k
: Konstanta Boltzmann
Jadi, konduktivitas naik terhadap suhu karena dengan bertambahnya suhu,
jumlah muatan ikut bertambah. Ketergantungan mobalitas dari suhu jauh lebih
kecil daripada ketergantungan jumlah muatan dari suhu.
C. Klasifikasi Semikonduktor
Pada umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0o
C dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Berdasarkan murni atau
tidaknya bahan semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis yaitu semikonduktor
intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Bahan semi konduktor murni, yaitu yang
terdiri dari unsur silicon saja atau unsur germanium saja disebut semikonduktor
intrinsik.
1. Semi konduktor intrinsik
Semi konduktor intrinsik merupakan bahan semi konduktor murni
yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja dan merupakan
semikonduktor murni yang tidak diberi doping atau campuran atom lainnya
yang memiliki jumlah elektron valensi yang berbeda dengan electron valensi
bahan semikonduktor. Menurut teori pita energy, pada suhu T = 0 K, pita
valensi semikonduktor terisi penuh electron, sedangkan pita konduksi kosong.
Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energy kecil, yakni dalam rentang
0,18 – 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah
energy 1,11 eV dan 0,66 eV. Pada temperature tinggi, electron keluar dari
ikatan kovalen menjadi electron bebas dan terbentuk hole. Kristal
semikonduktor silicon intrinsic terdiri dari atom silicon, yang termasuk dalam
kelompok IV pada susunan berkala. Tiap atom silicon mempunyai empat buah
electron valensi. Atom silicon menempati kisi-kisi dalam Kristal. Dalam dua
dimensi Kristal ini dapat dilukiskan seperti gambar 1a.
Tampak disini tiap atom Si terikat dengan empat buah atom silicon
lain, membentuk ikatan kovalen. Pada keadaan ini semua electron terikat pada
atom. Walaupun didalam Kristal diberi medan listrik, electron tetap terikat
dalam ikatan kovalen, sehingga tak ada muatan yang bergerak. Ini berarti taka
da arus walaupun diberi beda potensial, atau bahan bersifat sebagai isolator.
Keadaan pada gambar 2a melukiskan keadaan pada suhu amat rendah,
yaitu mendekati 0o C. pada suhu kamar banyak electron valensi yang terlepas
dari ikatan kovalen oleh karena terjadinya getaran atom. Dikatakan electron
valensi ini menjadi electron bebas oleh eksitasi termal. Makin tinggi suhu
makin banyak pula electron bebas. Jika di dalam bahan diberi medan listirk,
yaitu dengan memberikan beda potensial antara kedua ujung Kristal, electron
bebas ini akan bergerak menjadi aliran atau arus listrik. Makin tinggi suhu
makin banyak electron bebas yang terjadi dan makin besar pula arus yang
mengalir untuk beda potensial yang sama, yang berarti makin rendah
hambatannya.
Gambar 2. (a) Susunan atom pada Kristal semikonduktor silicon intrinsic,
(b) Elektron valensi dari atom Si pada A terionisasi.
Eksitasi suatu electron valensi menjadi electron bebas menyebabkan
atom silicon yang bersangkutan menjadi terionkan dan menjadi bermuatan
positif seperti ditunjukkan pada atom A gambar 1b. Karena pengaruh medan
listrik, ion silicon ini dapat menangkap electron bebas dari atom lain.
Jika ini terjadi, ion A akan menjadi netral, tetapi atom B sebagai
pemberi electron kepada ion A menjadi bermuatan positif. Jadi, adanya
pengaruh medan listrik menyebabkan perpindahan letak muatan positif dari A
ke B. Perpindahan letak muatan positif ini akan merupakan aliran listrik juga.
Kita dapat membayangkan keadaan terionkan atom silicon ini sebagai zarah
semu yang bermuatan positif, yang bebas bergerak di bawah pengaruh medan
listrik. Zarah semu ini kita sebut lubang (holes). Electron yang dibebaskan
dari ikatan kovalen kita sebut electron intrinsic, sedang lubang yang terjadi
oleh terbebasnya electron intrinsic kita sebut lubang intrinsic.
Dapatlah kita simpulkan bahwa pada semi konduktor intrinsic aliran
listrik disebabkan oleh gerak electron intrinsic dan lubang intrinsic.
Konsentrasi electron dan lubang intrinsic bergantung pada bahan dan suhu.
Electron valensi pada atom germanium lebih mudah terekstasi termik menjadi
electron bebas daripada electron valensi pada atom silicon. Ini berhubungan
dengan adanya pita-pita energy untuk electron didalam Kristal semikonduktor.
Dalam atom bebas electron hanya dapat mempunyai nilai energy
tertentu saja. Dikatakn electron hanya dapat berada pada tingkat energy
tertentu. Dalam Kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak
berdekat didalam susunan yang berkala, maka electron dapat berada pada pitapita energy. Oleh adanyaprinsip Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadaan
orbital atom hanya dapat berisi dua buah electron saja, maka untuk
semikonduktor pita-pita energy yang bawah akan terisi penuh hingga suatu
pita energy tertentu. Oleh karena setiap atom mempunyai empat buah electron
valensi, maka ada satu pita energy yang terisi penuh, dan pita energy
berikutnya kosong. Ini dilukiskan pada gambar 3a.
Gambar 3. (a) Pita-pita energy dalam semikonduktor, (b) Pta energy
valensi Ev dan pita energii konduksi Ek
Pita teratas yang terisi penuh electron disebut pita valensi, sedangkan
pita energy berikutnya (kosong) disebut pita konduksi. Keadaan ini berlaku
untuk semikonduktor pada suhu mendekati 0oK, dimana semua electron terikat
dalam ikatan kovalen. Daerah energy Ev dan Ek pada gambar 2b disebut (celah
pita (bandgap)). Ini adalah daerah energy terlarang untuk electron
semikonduktor intrinsic, yang hanya boleh berada dalam pita valensi atau pita
konduksi. Suatu electron yang terekstasi termal menjadi electron bebas dapat
dibayangkan sebagai melompat dari pita valensi ke pita konduksi,\. Energy
yang diperlukan untuk eksitasi ini berasal dari getaran atom. Lebar celah pita
untuk semikonduktor silicon adalah kira-kira 1,2 e V dan untuk germanium
adalah 0,78 e V.
Elektorn yang berada pada pitakonduksi bebas bergerak dibawah
pengaruh medan listrik. Ini dapat kita terangkan sebagai berikut. Oleh adanya
medan listrik E electron mendapat gaya F = e E. jika dibawah pengaruh medan
listrik electron bergerak sejauh
energy sebesar
∆ x , berarti electron mendapat tambahan
∆ W =F ∆ x=e E ∆ x . Untuk electron yang berada pada pita
konduksi pertambahan energy ini dibolehkan sebab keadaan yang baru masih
didalam pita energy. Untuk electron yang berada di pita valensi, alih energy
semacam ini tidak terjadi karena akan membawa electron ke dalam celah pita
yang merupakan daerah terlarang. Beda lebar celah peta Wg antara Kristal
silicon dan germanium mengakibatkan sifat konduksi yang amat berbeda
antara silicon dan germanium. Konsentrasi electron intrinsic n i berubah
dengan suhu menurut hubungan.
3/ 2 −Wgo /2 KT
(1)
W i= A T e
W go
adalah lebar celah pita pada suhu 0 K. hubungan di atas
mencerminkan statistic Boltzmann, yang menyatakan bahwa zarah dalam
kesentimbangan termal cenderung untuk berada pada keadan energy yang
rendah.
Agar kita mendapat kesan yang nyata kita lukiskan grafik untuk persamaan 1
seperti pada gambar 4
Gambar 4. Pembawa muatan bebas
ni
dan
pi
pada germanium dan
silicon
Ionisasi Kristal germanium mulai terjadi pada suhu 250 K dan mulai
berarti pada suhu 300 K. untuk silicon ionisasi mulai terjadi pada 400 K dan
mulai berarti pada suhu 450 K.
Mungkin anda bertanya mengapa konsentrasi pembawa muatan
ni
tak berubah dengan waktu. Bukankah pembawa bebas terus terbentuk oleh
eksitasi termal yang terus menerus berlangsung? Keadaan itu disebabkan
peristiwa rekombinasi, yaitu tertangkapnya electron oleh ion silicon, sehingga
electron menjadi ikatan kovalen dari atom silicon itu. Walhasil, lubang dan
electron kedua-duanya sirna. Hal ini dapat diterangkan sebagai berikut:
electron jatuh ke lubang, sehingga lubang menjadi tertutup. Peristiwa
rekombinasi ini membebaskan energy electron yang dapat berubah menjadi
getaran atau cahaya. Anda dapat mengamati cahaya yang keluar karena
rekombinasi ini pada nyala lampu LED. Kemungkinan terjadinya rekombinasi
sebanding dengan
n p . Makin banyak dihasilkan electron dan lubang makin
sering pula terjadi rekombinasi, sehingga akan terjadi suatu keadaan yang
mantap antara terbentuk dan sirnanya pembawa muatan bebas, dan kerapatan
pembawa muatan bebas tak lagi berubah dengan waktu.
Ada dua cara menjadikan bahan semikonduktor intrinsik menjadi
konduktor, yaitu:
- Dipanasi: Semikonduktor
yang
suhunya
dinaikkan
maka
gerak
elektronnya makin cepat sehingga memungkinkan adanya electron
meloncat dari pita valensi ke pita konduksi.
-
Dikotori dengan atom lain: Semikonduktor yang dicampuri (dikotori)
dengan atom lain, misalnya Ge dicampur dengan As (Arsenium).
2. Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang telah
terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya. 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 electron maupun hole dalam pita energy. Dengan demikian,
konsentrasi electron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole,
namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan
ketidakmurnian.
Telah disebutkan sebelumnya bahwa semikonduktor yang digunakan
untuk membuat diode dan transistor adalah semikonduktor ekstrinsik, yang
dibuat dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan atom unsur dari
kelompok III atau kelompok V dalam susunan berkala.
Campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan atom unsuk
kelompok V dalam susunan berkala mengandung lebih banyak electron
daripada lubang, sehingga pembawa muatan bebasnya bermuatan negative.
Semikonduktor
ekstrinsik
yang
dibuat
dengan
bahan
ini
disebut
semikonduktor jenis n. sebaliknya, campuran bahan semikonduktor intrinsik
dengan atom unsur dari kelompok III dalam susunan berkala mengandung
lebih banyak lubang daripada electron. Akibatnya pembawa muatan bebas
yang utama bermuatan positif. Semikonduktor yang dibuat dengan bahan
campuran seperti ini disebut semikonduktor jenis p.
a. Semikonduktor jenis-n.
Semikonduktor dengan konsentrasi electron lebih besar dibandingkan
konsentrasi hole, dapat diperoleh dengan menambahkan atom donor.
Semikonduktor jenis n menggunakan bahan semikonduktor intrinsik yang
dicampur misalnya dengan atom As (kelompok V dalam susunan berkala).
Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik di dalam kisi
Kristal semikonduktor. Gambar 5 menunjukkan Kristal semikonduktor
intrinsik silicon yang diberikan campuran atom As.
Gambar 5. (a) Kristal emikonduktor silicon dicamour atom As,
(b) Atom donor As terionisasi memberikan electron
ekstrinsik dan ion donor As+
Atom As mempunyai lima buah electron valensi, sehingga dalam
ikatan kovalen dengan atom silicon di dalam Kristal terdapat kelebihan
satu electron valensi. Electron ini terikat amat lemah dan mudah sekali
terlepas, dan disebut electron donor atau electron ekstrinsik, sedang atom
As disebut atom donor. Pada suhu 50 oK hamper semua atom donor
terionkan, sedangkan atom silicon baru terionisasi oleh eksitasi termal
pada suhu 450oK.
Ion donor yang ditinggalkan bermuatan positif, namun tak dapat
menangkap electron bebas seperti hanya ion silicon, karena daya ikatnya
yang amat lemah. Ion donor ini berlaku sebagai muatan tak bebas. Pada
suhu kamar sudah ada sejumlah electron yang terlepas dari atom silicon,
yaitu elektorn intrinsic yang menimbulkan lubang intrinsik. Jadi di dalam
semikonduktor jenis n ada berbagai pembawa muatan, yaitu lubang serta
electron intrinsic, electron ekstrinsik dan ion donor yang tak bebas
bergerak. Agar lebih jelas ini dilukiskan pada gambar 5.
Gambar 6. Muatan-muatan dalam semikonduktor jenis-n
Perubahan rapat pembawa muatan bebas dalam semikonduktor jenis p-n
adalah seperti pada gambar 7.
Gambar 7. Rapat pembawa muatan bebas pada semikonduktor jenis-n
sebagai fungsi suhu.
Pada gambar ini
400 0 K
n
n=ne + ni . Pada suhu di antara
0
110 K
dan
tak berubah dengan suhu sebab seluruh atom donor sudah
terionkan, sehingga
ne =N d , yaitu kerapatan atom donor. Jumlah
electron intrinsic yang terbentuk pada suhu ini belum cukup berarti. Pada
suhu diatas
0
450 K
intrinsik mulai berarti.
kerapatan electron intinsik
Pada suhu diatas
0
500 K
ni
dan lubang
semikonduktor
ekstrinsik ini boleh dikata sudah bersifat intrinsic oleh karena jumlah
electron bebas hamper sama dengan jumlah lubang.
Pada suhu kamar jumlah electron bebas pada semikonduktor jenisn jauh lebih besar daripada jumlah lubang. Oleh sebab itu electron bebas
didalam semikonduktor jenis-n disebut pembawa muatan mayoritas, dan
lubang disebut pembawa muatan minoritas. Bagaimana halnya dengan
konduktivitas semikonduktor sekstrinsik? Untuk semikonduktor jenis-n
berlaku
μn N n+ μ p Pn
)
(5)
σ n =q ¿
Akan tetapi untuk semikonduktor jenis-n pada suhu kamar rapat oembawa
muatan intrinsic jauh lebih kecil daripada rapat pembawa muatan
ekstrinsik, dan pada suhu kamar seluruh atom donor sudah terionisasi.
Akibatnya
daripada
N n ≅ N d , yaitu konsentrasi atom donor yang jauh lebih besar
ni atau
Pn . Pada persamaan (5)
lubang pada semikonduktor jenis-n.
Pn
Pn
adalah kerapatan
tak sama dengan
pi
oleh
karena adanya rekombinasi antara electron dan lubang. Oleh karena itu
konduktivitas semikonduktor jenis-n adalah
σ n =q μn N d
Kerapatan pembawa muatan minoritas
kerapatan lubang intirnsik
Pn
.(6)
lebih kecil daripada
pi . Seperti telah diungkapkan didepan,
didalam semikonduktor terjadi rekombinasi antara electron dan lubang.
Laju rekombinasi dalam semikonduktor sebanding dengan hasil kali
kerapatan electron dan kerapatan lubang, yaitu
Nn
Pn . Akan tetapi
pada suhu kamar hamper semua muatan bebas yang terbentuk hanyalah
oleh ionisasi atom silicon yang membentuk electron intrinsic dan lubang
intrinsic.
Oleh karena
laju rekombinasi
muatan
intrinsic untuk
semikonduktor ekstrinsik adalah sama seperti pada semikonduktor
intrinsic, maka
N n P n=ni p i=ni2= pi2
(7)
Akibatnya kerapatan pembawa minoritas didalam semikonduktro jenis-n
adalah
P n=
pi2
Nd
(8)
b. Semikonduktor jenis-p
Pada semikonduktor jenis-p, atom dari kelompok III dalam
susunan berkala misalnya gallium, dibubuhkan ke dalam Kristal
semikonduktor intrinsic. Gambar 7 menunjukkan atom didalam Kristal
semikonduktor jenis-p. Oleh Karena gallium termasuk kelompok III pada
susunan berkala, atom Ga mempunyai tiga buah electron valensi.
Akibatnya, dalam bergandengan dengan atom silicon didalam Kristal atom
Ga memerlukan satu electron lagi untuk berpasangan dengan atom Si.
Oleh sebab itu atom Ga mudah menangkap electron, sehingga sidebut
atom akseptor. Jika ini terjadi atom akseptor menjadi kelebihan selketron
sehingga menjadi bermuatan negative. Dalam hal ini dikatakan atom
akseptor terionkan.
Gambar 8. (a) susunan atom dalam semikonduktor jenis-p, (b) Lubang
ekstrinsik dan ion akseptor pada semikonduktor jenis-p.
Ion akseptor ini mempunyai muatan tak bebas, oleh karena tak
bergerak dibawah pengaruh medan listrik luar. Ion silicon yang
elektronnya ditangkap oleh atom akseptor terbentuk menjadi lubang, yang
disebut lubang ekstrinsik. Perhatikan bahwa didalam semikonduktor jenisp juga terjadi electron bebas intrinsic dan lubang intrinsic oleh karena
eksitasi termal atom silicon. Jelas pada semikonduktor jenis-p, lubang
merupakan pembawa muatan yang utama, sehingga disebut pembawa
muatan mayoritas. Disini electron bebas merupakan pembawa muatan
minoritas. Seperti halnya pada semikonduktor jenis-n. konduktivitas
semikonduktor jenis-p adalah
μp
σ p =q μ p N a
adalah mobilitas lubang dan N a
(9)
adalah konsentrasi atom
akseptor. Hal yang serupa berlaku untuk rapat pembawa muatan minoritas
N p , yaitu
2
N p=
ni
Na
(10)
D. Konduksi dalam semikonduktor
Kita telah mempelajari bahwa dalam semikonduktor intrinsic ada dua
pembawa muatan yaitu electron dan lubang. Kerapatan electron intrinsik
dan lubang intrinsik
ni
pi . Amat bergantung pada suhu dan jenis atom dalam
Kristal semikonduktor. Sekarang marilah kita telurusi hubungan kerapatan
pembawa muatan bebas ini dengan sifat konduksi Kristal semikonduktor. Kita
semua tahu bahwa arus listrik I menyatakan jumlah muatan listrik yang
mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu. Gerak pembawa muatan
bebas ini tidaklah lurus, tetapi terus berubah arah oleh adanya pertumbukan
dengan atom dalam Kristal.
Misalkan antara kedua ujung Kristal semikonduktor kita beri beda
potensial sehingga terjadi medan listrik dengan kuat medan E. Di bawah
pengaruh medan ini electron dan lubang akan bergerak dalam arah
berlawanan. Lubang bergerak ke arah medan listrik dan electron kea rah yang
berlawanan. Gerak kedua macam pembawa muatan ini mengakibatkan arus
listrik
pada arah gerak muatan positif. Sebagaimana telah dikemukakan
sebelumnya arah ini tidaklah berupa garis lurus, tetapi selalu berubah arah
oleh adanya tumbukan dengan atom, namun umumnya sejajar dengan medan
listrik. Kecepatan rata-rata gerak pembawa muatan ini disebut kecepatan
hanyut yang kita nyatakan dengan v . Misalkan kerapatan pembawa muatan
bebas adalah n, yaitu tiap satuan volume ada n buah pembawa muatan. Dalam
waktu
∆t
akan tersapu volume sebesar A
penampang. Berarti ada n
v ∆t
v ∆ t , dengan A adalah luas
A pembawa muatan, atau muatan sebesar
q n v ∆t A
menembus suatu penampang. Jika tiap pembawa muatan bebas
mempunyai muatan q
maka, Ini berarti arus
2 n v ∆t A
I=
=q n v A
(2)
∆t
Kita definisikan rapat arus J sebagai arus yang mengalir tiap satuan luas
penampang, sehingga
J =n q v . Kita tahu bahwa jika sebatang konduktor
dialiri arus listrik, besar arus listrik adalah sama sepanjang batang konduktor.
Ini berarti kecepatan rata-rata pembawa muatan, yaitu v juga tetap besarnya.
Bukankah ini aneh? Pembawa muatan bergerak dibawah pengaruh
medan listrik, yang berarti mendapat gaya, bukankah menurut hokum II
Newton pembawa muatan akan mendapat percepatan, sehingga kecepatannya
akan bertambah terus? Ini betul dalam daerah antara tumbukan. Adanya
tumbukan akan menyebabkan hilangnya sebagian tenaga pembawa muatan,
sehingga pengaruh rata-ratanya adalah seperti gerak benda di dalam zat cair
yang kental. Disini pada benda bekerja juga gaya gesekan yang sebanding
dengan kecepatan akan tetapi melawan gerak. Peristiwa ini terjadi pada sebuah
bola besi di dalam suatu cairan (misalnya gliserin), yang bergerak ke bawah
oleh pengaruh gaya berat. Pada suatu saat gaya gesekan akan sama dengan
gaya berat, sehingga bola bergerak dengan kecepatan tetap, yang disebut
kecepatan terminal. Makin besar gaya berat makin besar pula kecepatan
terminalnya. Mudah ditunjukkan bahwa kecepatan terminal ini berbanding
lurus dengan gaya berat.
Peristiwa serupa dapat dibayangkan terjadi pada aliran pembawa
muatan bebas dalam bahan padat dibawah pengaruh medan listrik. Kecepatan
hanyut adalah suatu kecepatan terminal, sebanding dengan medan listrik E.
Dapatlah kita tuliskan:
v =μ E
(3)
Tetapan μ disebut mobilitas pembawa muatan bebas. Makin besar μ
makin besar pula kecepatan hanyut
v , yang berarti makin besar arus yang
mengalir. Jika kita gunakan persamaan 3 pada persamaan 2 akan diperoleh
J =n q μ E atau J =σ E
(4)
σ =n q μ , disebut konduktivitas. Persamaan 4 adalah bentuk umum hokum
Ohm. Dari persamaan ini dapatlah diturunkan
V =I R , dengan
R= ρ
l
A
untuk konduktor dengan panjang l
A , dan
ρ=
1
σ
dan penampang serba sama dengan luas
adalah hambatan jenis.
Bahan
Mobilitas pada 300 k
2
cm
(
−sec )
volt
Mobilitas pada suhu T
(kira-kira)
7
Electron bebas
3900
Ge
9
Lubang
1900
Elektron
bebas
1350
Lubang
1480
−1,66
4,9 x 10 T
(100−300 o K )
−2,33
1,05 x 10 T
0
125−300 K
¿
9 −2,5
2,1 x 10 T
160−4000 K
¿
9 −2,7
2,3 x 10 T
0
150−400 K
¿
Si
Kembali kepada semikonduktor intrinsik, mobilitas electron dan lubang
tidaklah sama, sehingga mobilitas electron kita tulis
kita tulis
μ p . Untuk semikonduktor, konduktivitas
adalah rapat electron dan
intrinsic
dengan
p
μn
dan mobilitas lubang
n μn + p μ p
). Besaran n
σ=q ¿
adalah rapat lubang. Untuk semi konduktor
ni= pi . Untuk semikonduktor ekstrinsik
n
belum tentu sama
p . Mobilitas juga bergantung pada suhu, ditunjukkan pada tabel di
atas.
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat
elektronika, digunakan misalnya untuk membat diode, transistor, dan IC
(Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi
banyak transistor dan resistor dalam sekeping Kristal semikonduktor denga
ukuran di bawah 1 mm2. Bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah
sillikon (S), germanium (Ge) dan karbon (C).
Struktur kristal dari semikonduktor tersebut adalah struktur Tetraeder atau
struktur intan. Dalam struktur ini setiap atom memiliki 4 atom tetangga. Dalam
kristal semikonduktor, antara setiap tetangga terdapat satu ikatan elektron dengan
dua elektron yang berasal dari masing-masing atom. Semikonduktor terbagi
menjadi 2 yaitu semikonduktor intrinsic dan semikonduktor ekstrinsik. Kemudian
semikonduktor ekstrinsik terbagi menjadi 2 yaitu semikonduktor jenis-n dan
semikonduktor jenis-p.
B. Saran
Penulis bersedia menerima kritik dan saran yang positif dari pembaca
sebagai bahan pertimbangan yang memperbaiki makalah ini di kemudian hari.
Semoga makalah berikutnya dapat penulis selesaikan dengan hasil yang lebih baik
lagi
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, Jayadin. 2007. Electronik book: Elektronika Dasar. Yogyakarta: UNY.
Blocher, Richard. 2004. Dasar Elektronika. Yogyakarta: CV. ANDI OFFSET.
Misbah. 2015. Hand Out Elektronika Dasar. Banjarmasin: FKIP ULM.
Sutrisno. 1986. Elektronika; Teori Dasar dan Penerapannya. Bandung : ITB.