TEORI DASAR SEMI KONDUKTOR

  TEORI DASAR SEMIKONDUKTOR

Apabila kita berbicara tentang elektronika maka tidak akan lepas dari semikonduktor. Memang pada awal kelahirannya elektronika didefenisikan sebagai cabang ilmu listrik yang mempelajari pergerakan muatan didalam gas ataupun vakum. Penerapannya sendiri juga menggunakan komponen-komponen yang utamanya memanfaat kedua medium ini, yang dikenal sebagai Vacuum Tube. Akan tetapi sejak ditemukannya transistor, terjadi perubahan trend dimana penggunaan semikonduktor sebagai pengganti material komponen semakin populer dikalangan praktisi elektronika. Puncaknya adalah saat ditemukannya Rangkaian Terpadu (Integrated Circuit) pada akhir dekade 50-an yang telah menyederhanakan berbagai rangkaian yang sebelumnya berukuran besar menjadi sangat kecil. Selain itu penggunaan material semikonduktor juga memberikan fleksibilitas dalam penerapannya.

Operasi semua komponen benda padat seperti dioda, LED, Transistor Bipolar dan FET serta Op-Amp atau rangkaian terpadu lainnya (solid state) didasarkan atas sifat-sifat semikonduktor. Secara umum semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak antara sifat-sifat konduktor dan isolator. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif.

Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron,proton, dan elektron. Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti. Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, silikon dan germanium terlihat pada gambar 1.1.

Seperti ditunjukkan pada gambar 1.1 atom silikon mempunyai elektron yang mengorbit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C. 

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi. Aktifitas kimiawi dari sebuah unsur terutama ditentukan oleh jumlah elektron valensi ini. Unsur-unsur pada tabel periodik telah disusun sedemikian rupa berdasarkan jumlah elektron valensinya. Silikon (Si) dan Germanium (Ge) berada pada Grup IV karena memiliki empat elektron valensi pada kulit terluarnya, sehingga disebut juga semikonduktor dasar (elemental semiconductor). Sedangkan Gallium Arsenik(GaAs) masing-masing berada pada Grup III dan V, sehingga dinamakan semikonduktor gabungan (compound semiconductor).

Atom-atom silikon yang berdiri sendiri dapat digambarkan sebagai lambang unsur (Si) dengan empat buah garis kecil yang terpisah (Gambar 1).Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi empat). Saat atom-atom ini berdampingan cukup, elektron valensinya akan berinteraksi untuk menghasilkan kristal. Struktur akhir kristalnya sendiri adalah dalam konfigurasi thetahedral sehingga setiap atom memiliki empat atom lainnya yang berdekatan. Elektron-elektron valensi dari setiap atom akan bergabung dengan elektron valensi dari atom didekatnya, membentuk apa yang disebut ikatan kovalen (covalent bonds) seperti terlihat pada Gambar 2. Struktur kisi-kisi kristal silikon murni ini dapat digambarkan secara dua dimensi guna memudahkan pembahasan. Lihat gambar 1.2. Salah satu sifat penting dari struktur ini adalah bahwa elektron valensi selalu tersedia pada tepi luar kristal sehingga atom-atom silikon lain dapat terus ditambahkan untuk membentuk kristal yang lebih besar.

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium. Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat. Setiap elektron yang menempati suatu orbit tertentu dalam struktur atom tunggal (atau terisolasi) akan mempunyai level energi tertentu. Semakin jauh posisi orbit suatu elektron, maka semakin besar level energinya. Oleh karena itu elektron yang menduduki posisi orbit terluar dalam suatu struktur atom atau yang disebut dengan elektron valensi, akan mempunyai level energi terbesar. Sebaliknya elektron yang paling dekat dengan inti mempunyai level energi terkecil. Level energi dari atom tunggal dapat dilihat pada gambar 1.3.

Di antara level energi individual yang dimiliki elektron pada orbit tertentu
terdapat celah energi yang mana tidak dimungkinkan adanya elektron mengorbit.
Oleh karena itu celah ini disebut juga dengan daerah terlarang. Suatu elektron tidak dapat mengorbit pada daerah terlarang, tetapi bisa melewatinya dengan cepat. Misalnya bila suatu elektron pada orbit tertentu mendapatkan energi tambahan dari luar (seperti energi panas), sehingga level energi elektron tersebut bertambah besar, maka elektron akan meloncat ke orbit berikutnya yang lebih luar yakni dengan cepat melewati daerah terlarang. Hal ini berlaku juga sebaliknya, yaitu apabila suatu elektron dipaksa kembali ke orbit yang lebih dalam, maka elektron akan mengeluarkan energi.

Dengan kata lain, elektron yang berpindah ke orbit lebih luar akan membutuhkan energi, sedangkan bila berpindah ke orbit lebih dalam akan mengeluarkan energi. Besarnya energi dari suatu elektron dinyatakan dengan satuan elektron volt (eV). Hal ini disebabkan karena definisi energi merupakan persamaan: W = Q . V

dimana:

W = energi Joule (J)

Q = muatan (Coulomb)

V = potensial listrik [Volt (V)]

Dengan potensial listrik sebesar 1 V dan muatan elektron sebesar 1.602-19 C, maka energi dari sebuah elektron dapat dicari: W = (1.602-19 C) (1 V) = 1.602-19 J
Hasil tersebut menunjukkan bahwa untuk memindahkan sebuah elektron melalui beda potensial sebesar 1 V diperlukan energi sebesar 1.602-19 J. Atau dengan kata lain: 1 eV = 1.602-19 J.

Bila atom-atom tunggal dalam suatu bahan saling berdekatan (dalam kenyatannya memang mesti demikian) sehingga membentuk suatu kisi-kisi kristal, makaatom-atom akan berinteraksi dengan mempunyai ikatan kovalen. Karena setiap elektron valensi level energinya tidak tepat sama, maka level energi jutaan elektron valensi dari suatu bahan akan membentuk range energi atau yang disebut dengan pita energi valensi atau pita valensi. Gambar 1.4 menunjukkan diagram pita energi dari bahan isolator, semikonduktor dan konduktor.

Suatu energi bila diberikan kepada elektron valensi, maka elektron tersebut akan meloncat keluar. Oleh karena elektron valensi terletak pada orbit terluar dari struktur atom, maka elektron tersebut akan meloncat ke daerah pita konduksi. Pita konduksi merupakan level energi dimana elektron terlepas dari ikatan inti atom atau menjadi elektron bebas. Jarak energi antara pita valensi dan pita konduksi disebut dengan pita celah atau daerah terlarang. Seberapa besar perbedaan energi, Eg, (jarak energi) antara pita valensi danpita konduksi pada suatu bahan akan menentukan apakah bahan tersebut termasuk isolator, semikonduktor atau konduktor. Eg adalah energi yang diperlukan oleh elektron valensi untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Eg dinyatakan dalam satuan eV (elektron volt). Semakin besar Eg, semakin besar energi yang dibutuhkan elektron valensi untuk berpindah ke pita konduksi. Pada bahan-bahan isolator jarak antara pita valensi dan pita konduksi (daerah terlarang) sangat jauh. Pada suhu ruang hanya ada sedikit sekali (atau tidak ada) elektron valensi yang sampai keluar ke pita konduksi. Sehingga pada bahan-bahan ini tidak dimungkinkan terjadinya aliran arus listrik. Diperlukan Eg paling tidak 5 eV untuk mengeluarkan elektron valensi ke pita konduksi.

Pada bahan semikonduktor lebar daerah terlarang relatif kecil. Pada suhu mutlak 0' Kelvin, tidak ada elektron valensi yang keluar ke pita konduksi, sehingga pada suhu ini bahan semikonduktor merupakan isolator yang baik. Beberapa elektron mungkin memperoleh cukup energi thermal untuk memutuskan ikatan kovalen dan keluar dari posisi awalnya. Untuk memutus ikatan kovalen ini, elektron tersebut mesti memperoleh sejumlah energi minimum, Eg, atau sering juga disebut energi bandgap. Pada bahan silikon dan germanium masing-masing Eg-nya adalah 1.1 eV dan 0.67 eV.

Elektron yang memperoleh energi minimum ini sekarang berada pada pita konduksi dan dikatakan menjadi elektron bebas. Elektron bebas ini didalam pita konduksi dapat berpindah-pindah sepanjang struktur. Jumlah aliran elektron pada pita konduksi inilah yang lalu akan menghasilkan arus.

Diagram pita energi ini dapat dilihat pada gambar diatas. Energi Ev adalah energi maksimum dari pita energi valensi, sedangkan energi Eg adalah perbedaan antara Ec dan Ev. Daerah antara kedua energi ini disebut sebagai forbidden bandgap. Elektron-elektron tidak dapat berada pada daerah ini, tetapi mereka dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi apabila memperoleh cukup energi.

Unsur yang memiliki energi bandgap yang besar, sekitar 3-6 elektron-Volt (eV) adalah isolator, karena pada suhu kamar, tidak ada elektron bebas yang berada pada pita konduksi. Sebaliknya, unsur yang mengandung elektron bebas dalam jumlah yang sangat banyak pada suhu kamar adalah konduktor. Pada semikonduktor, energi bandgap-nya berada pada kisaran 1 eV.

Karena muatan total dari unsur adalah netral, apabila elektron yang bermuatan  negatif memecah ikatan kovalennya dan keluar dari posisi awalnya, sebuah ruang kosong yang bermuatan positif akan terbentuk pada posisi tersebut. Dengan meningkatnya suhu, maka akan lebih banyak ikatan kovalen yang pecah dan lebih banyak pula elektron bebas maupun ruang kosong positif akan terbentuk.

Elektron valensi dengan energi thermal tertentu dan berdekatan dengan sebuah ruang kosong dapat berpindah posisi tersebut, sehingga terlihat seperti muatan positif yang bergerak diantara semikonduktor. Partikel bermuatan positif ini disebut hole. Pada gambar 1.4 dilukiskan dengan lingkaran kosong. Meskipun hole ini secara fisik adalah kosong, namun secara listrik bermuatan positip, karena ditinggalkan oleh energi elektron yang bermuatan negatip. Level energi suatu hole adalah terletak pada pita valensi, yaitu tempat asalnya elektron valensi. Apabila ada elektron valensi berpindah dan menempati suatu hole dari atom sebelahnya, maka hole menjadi tersisi dan tempat dari elektron yang berpindah tersebut menjadi kosong atau hole. Dengan demikian arah gerakan hole (seolah-olah) berlawanan dengan arah gerakan elektron.

Sedangkan pada bahan konduktor pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih. Elektron-elektron valensi sekaligus menempati pada pita konduksi. Oleh karena itu pada bahan konduktor meskipun pada suhu O derajat K, cukup banyak elektron valensi yang berada di pita konduksi (elektron bebas).

Pada semikonduktor, dua jenis partikel bermuatan ini berjasa dalam menghasilkan arus : elektron bebas yang bermuatan negatif, serta hole yang bermuatan positif. Konsentrasi elektron dan hole adalah parameter penting dalam karakterikstik dari sebuah unsur semikonduktor, karena mereka berpengaruh langsung terhadap besarnya arus.

SEMIKONDUKTOR INSTRINSIK (MURNI)

Semikonduktor instrinsik adalah sebuah unsur semikonduktor kristal tunggal tanpa atom jenis lain didalamnya. Pada sebuah semikonduktor instrinsik, kepadatan elektron dan hole adalah sama (seimbang), karena satu-satunya sumber partikel ini adalah elektron dan hole yang terbentuk secara thermal. Untuk itu, kita menggunakan notasi ni untuk menyatakan konsentrasi pembawa intrinsik, yakni konsentrasi dari elektron bebas ataupun hole. Rumus untuk nilai ni ini adalah sebagai berikut :

Dimana :

B adalah koefisien yang spesifik terhadap unsur semikonduktornya

Eg adalah energi bandgap (eV)

T adalah suhu atau temperatur (K)

k adalah konstanta Boltzman (86 X 10-6 eV/K)

e notasi eksponensial

Nilai B dan E unsur dapat dilihat pada tabel dibawah ini,

Konsentrasi instrinsik ni adalah parameter penting yang sering muncul dalam persamaan-persamaan arus-tegangan pada komponen semikonduktor.

*elektron-Volt (eV) adalah satuan energi dimana sebuah elektron dipercepat melalui medan listrik sebesar 1 V, dan 1 eV setara 1.6e-19 Joule

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK (TAK MURNI)

  

SEMIKONDUKTOR TIPE-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memilikimuatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat Gambar diatas). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada Gambar diatas.

SEMIKONDUKTOR TIPE-p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tigaikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat Gambar dibawah) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada Gambar dibawah ini.

KEGUNAAN SEMIKONDUKTOR

Bila dibanding dengan logam daya hantar listrik semikondutor lebih kecil. Aliran yang kecil menyebabkan aliran listrik pada semikonduktor mudah dikontrol.

Dasar penggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion) apabila semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan. Sambungan ini yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Selain itu semikonduktor digunakan untuk membuat sel surya (solar cell) dan penyearah.

Sel Surya (Solar Cell)

Solar cell terdiri dari dua semikonduktor yaitu:

1. Semikonduktor tipe-p. yang dibuat dari semikonduktor silikon yang dikotori dengan boron.

2. Semikonduktor tipe-n, yang diperoleh dari semikonduktor silikon yang dikotori dengan arsen.

Dua semikonduktor tersebut disambung seperti pada gambar berikut:

Sebelum kedua semikonduktor tersebut disambung, jumlah hole pada pita valensi semikonduktor tipe-p lebih banyak dibanding jumlah hole pada pita valensi semikonduktor tipe-n, sebaliknya jumlah elektron pada pita konduksi semikonduktor tipe-n lebih banyak dibanding jumlah elektron pada pita konduksi semikonduktor tipe-p. setelah keduanya disambungkan maka:

• Pada pita valensi akan terjadi aliran hole dari semikonduktor tipe-p ke semikonduktor tipe-n dan sebaliknya, serta aliran elektron dari semikonduktor tipe-n  ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya sampai terjadi kesetimbangan.
• Pada pita konduksi akan terjadi aliran elektron dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya sampai terjadi kesetimbangan.

Pada keadaan setimbang jumlah hole yang bergerak dari pita valensi semikonduktor tipe-p ke semikonduktor tipe-n sama dengan jumlah hole yang bergerak ke arah yang berlawanan. Demikian juga halnya dengan jumlah elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya. Akibatnya dua proses tersebut maka pada semikonduktor tipe-n akan berkembang muatan positif dan pada semikonduktor tipe-p akan berkembang muatan negatif. Dengan kata lain antara kedua bagian tersebut timbul potensial listrik.

Pada sel surya semikonduktor tipe-p dibuat lebih tipis dibanding semikonduktor tipe-n. Pada pengoperasian sel suria, bagian yang dikenakan sianr matahari adalah semikonduktor tipe-p.

Pada waktu sel surya terkena sinar matahari maka elektron-elektron pada semikonduktor tipe-p mendapatkan tambahan energi termal. Elektron-elektron tersebut dapat melewati sambungan p-n (p-n junction) dan memasuki semikonduktor tipe-n. Apabila daya gerak elektron-elektron tersebut cukup besar maka mereka akan melewati kawat penghantar (menuju ke semikonduktor tipe-p kembali) sehingga arus listrik yang energinya daapat langsung dimanfaatkan atau disimpan dalam baterai. Jadi fungsi dari sel suria adalah merubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik.

Silikon yang digunakan pada sel surya selain sebagai kristal tunggal (single crystal), silikon dapat diperoleh dalam bentuk amorf. Silikon amor dapat diperoleh melalui deposisi uap silikon. Kemampuan silikon amorf dalam menyerap sinar matahri 40 kali lebih efisien dibanding kristal silikon. Oleh karena itu sel suria banyak digunakan semikonduktor dengan bahan dasar silikon amorf.

Sel surya dengan bahan dasar amorf adalah lebih tahan lama dibanding sel suria dengan bahan dasar kristal tunggal. Disamping itu, silion amorf dapat dibuat pada temperatur rendah dan dapat di depositkan pada substrat yang harganya relatif murah. Sel suria dengan bahan dasar amor banyak digunakan sebagai sumber energi pada kalkulator.

Harga silikon amor cenderung semakin murah. Oleh karena itu pemakian semikonduktor dengan bahan dasar silikon amor pada peralatan elektronik yang lain cenderung semakin meluas di massa yang akan datang.