SEMIKONDUKTOR

1. Pengertian Bahan Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dankonduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalahsilikon, germanium, dan gallium arsenide.                                                                                                                  Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Bahan- bahan  logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-).  Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang  disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.                                                                                                     Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya ‘jauh’ dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

Gambar-1 : Ikatan atom tembaga

2. Struktur Atom Semikonduktor

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 magnet, 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 adalah silikon dan germanium.

 

                                                                                 Gambar 1. Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium

Seperti ditunjukkan pada Gambar 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. Atom silikon dan germanium masing mempunyai empat elektron valensi. Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi empat). Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang bersebelahan.

3. Pita Energi Bahan (Si dan Ge)

Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling berimpit. Berdasarkan pengisian elektron, pita energi dapat dibedakan menjadai dua jenis, yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi penuh oleh elektron, sedangkan pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita valensi yang terisi oleh sebagian atau tidak terisi sama sekali oleh elektron. Pada umumnya diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut dengan celah energi ( hole ). Energi celah pita atau yang sering juga disebut dengan Energi gap (Eg) dapat dihitung dengan persamaan :

Eg = hv

dimana h adalah konstanta Planck.

                                                 Gambar 1.4 Tingkat energi (a) pada atom tunggal dan (b) pita energi pada Kristal.

Penentuan pita energi secara rinci dibicarakan difisika kuantum, namun secarasederhana, akan ditunjukan sebagai contoh penentuan struktur pita energi pada bahan padat Kristal. Pada gambar 1.5 dibawah ini dapat dilihat ilustrasi pita energi untuk Kristal semikonduktor. pada keadaan kesetimbangan (equilibrium), pita energi terbagi menjadi dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (forbidden gap atau band gap). Pita atas dinamakan pita konduksi, dan pita bagian bawah dinamakan pita valensi.

Gambar 1.5 Struktur pita energi bahan semikonduktor.

Banyaknya electron pada setiap pita energi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Σe = 2(2l +1)N

dimana l menyatakan bilangan kuantum orbital (0, 1, 2, 3, …) dan N menyatakan banyaknya atom yang saling berdekatan.

4. Pita Energi Bahan (Si dan Ge) saat dikotori dengan In

Menurut teori pita energi, lubang aseptor ini menempati tingkat energi akeptor

yang berada dalam pita terlarang, sedikit diatas pita valensi.

Gambar 1.6 Diagram tingkat energi untuk sebuah semikonduktor jenis p.

Pada saat elektron valensi Germanium (Ge) maupun silikon (Si) berikatan dengan

elektron valensi Indium (In), maka akan menghasilkan daerah terlarang. Daerah terlarang

ini terdiri dari dua pita, yaitu pita valensi dan pita konduksi. Elektron –elektron dalam pita

valensi memiliki energi termal yang cukup pada suhu kamar (250̊ C) untuk mengisi tingkat

aseptor ini, lalu meninggalkan suatu lobang baru pada pita valensi. Lubang baru pada pita

valensi akan diisi oleh elektron tetangga sebelahnya. Aliran elektron dalam pengotoran

tersebut adalah lubang bermuatan positif yang bergerak berlawan arah dengan gerakan

elektron. Oleh sebab itu, maka lubang (hole) yang bergerak dalam valensi merupakan

pembawa muatan mayoritas, sedangkan pembawa muatan minoritas adalah elektron yang

bergerak dalam pita konduksi.

 

          Gambar 1.7 Struktur pita energi Germanium (Ge) maupun silikon (Si) sewaktu berikatan dengan elektron valensi Indium (In).

Jadi hasil dari pengotoran Germanium (Ge) dan Silikon (Si) dengan menggunakan

Indium (In) adalah semikonduktor tipe-p. Dimana pita terlarang untuk Germanium (Ge)

memiliki lebar 0,7 eV sedangkan pada Silikon, lebar pita terlarangnya adalah sebesar 1,1

eV. Hal ini disebabkan karena pengotoran ini menghasilkan pembawa muatan negatif pada

indium (In) dan Germanium (Ge) yang merupakan Kristal yang netral. Hal ini memenuhi

persamaan :

pn = pini = ni

persamaan di atas dinamakan hokum mass-action.

5. Semikonduktor Tipe-N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron  membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

Gambar 3 : doping atom pentavalen 

Susunan bahan semikonduktor intrinsik dapt dilihat pada gambar1, hanya terdiri dariunsur Si atau Ge. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-n dan tipe-p dapat dilihat pada (gambar 3 dan 4) , gambar no 5 dan 6 menunjukan pita energinya .

 

Gambar 5 menunjukkan pita energy pada semikonduktor tipe-n, sedangkan ambar 6menunjukkan pita energy pada semikonduktor tipe-p. pada semikonduktor tipe ±p atom yangdipasnag menimbulkan hole, atom tersebut disebut atom akseptor(mempunyai lobang). Sebagian akseptor adalah atom dari boron, alumunium, gallium, indium.                                            Letak atom akseptilebih dekat pada pita valensi(gambar 6). Untuk semikonduktor tipe-n, atom yangmenggantikan Si atau Ge bervalensi 5 sehingga bahan menjadi kelebihan elektron. Atom yangmenggantikan disebut atom donor . Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Pada bahan semikonduktor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan elektron bebas. Pada bahan jenis p pembawa muatannya adalah hole sedangkan pada bahan jenis n pembawa muatannya adalah elektron bebas.

Bahan semikonduktor memiliki daya hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor,tetapi lebih besar dibandingkan bahan isolator . Proses konduksi pada bahan-bahandipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi. Pita energi dibagi menjadi tiga yaitu :

– Pita valensi yaitu pita energi terakhir yang terisi penuh (zone penuh).

– Pita konduksi yaitu pita diatas pita pita valensi yang berisi setengah penuh atau kosong(zone bebas).

– Diantara pita konduksi dan valensi terdapat celah energi yang disebut pita terlarang (zoneterlarang).

Bahan-bahan konduktor, semikonduktor dan isolator memiliki pita energi yang berbeda.

Dapat dilihat pada gambar berikut : 

Pada konduktor jarak kedua pita sangat dekat sekali bahkan hampir menumpuk. Pada isolator  jarak keduanya cukup jauh sehinggaelektron dari zone penuh tidak dapat pindah ke zone bebas. Sedangkan pada semikonduktor jarak keduanya tidak begitu jauh dan inimemungkinkan elektron dapat berpindah jika dipengaruhi oleh faktor luar misalnya :

• panas
• medan magnet
• tegangan yang tinggi.

Berikut tabel yang berisi beberapa energi ionisasi dan resistansi pada semikonduktor jenis-n dan jenis-p : 

Penggabungan semikonduktor jenis p dan jenis n pada komponen elektronika diantaranya adalah resistor, dioda, dan transistor .

Dioda

Transistor

6. Semikonduktor Tipe-P

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah  bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang  memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

Gambar 4 : doping atom trivalent

Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada gambar berikut :

Keterangan :

a)      Struktur Kristal silicon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisisalah satu atom silicon.

b)      Struktur  pita energi semikonduktor tipe-p

Macam-macam semikonduktor

1. 1.      Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor Intrinsik merupakan semikonduktor murni dan tidak cacat yang

belum mengalami pengotoran, contohnya adalah silikon dan germanium murni. Pada suhu

yang cukup tinggi, elektron pada pita valensi dapat pindah pada pita konduksi sehingga

pada pita valensi terdapat tempat kosong. Tempat – tempat kosong. Tempat – tempat yang

ditinggal elektron dapat dipandang sebagai muatan positif yang disbut dengan hole.

Gambar 1.1 di bawah ini menunjukkan suatu semikonduktor intrinsik

Germanium (Ge) dan silikon dan ( Si) merupakan dua buah semikonduktor

intrinsik yang pasling sering digunakan. Kedua semikonduktor ini mempunyai jumlah

elektron pada kulit terluar sebanyak 4 ( empat ) buah dan struktur kristalnya berbentuk tetrahedral.

Berikut ini merupakan perbandingan bahan semikonduktor silicon dan germanium :

No	Properti	Silicon	germanium
1	Energi terlarang/gap (eV)	1,1	0,67
2	Mobilitas elektron	0,135	0,39
3	Mobilitas lubang	0,048
4	Konsentrasi intrinsik	1,5 x 1010	2,4 x 1019
5	Resitivitas intrinsik	2300	0,47

1. 2.      Semikonduktor Entrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau

penyuntikan (doping) oleh atom asing. Pada semikonduktor jenis ini akan menghasilkan

dua jenis semikonduktor, yaitu :

1. Semikonduktor ekstrinsik yang bertipe n dan bertipe p.

Pada semikonduktor yang bertipe n, biasanya pengotorannya dilakukan oleh atom –

atom pentavalen seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb).

2. Sedangkan pada semikonduktor bertipe p, biasa pengotornya dilakukan oleh atom–

atom trivalent seperti Indium (In), Boron (Br) dan Galium (Ga).

Silikon (Si) dan Germanium (Ge) merupakan atom dari golongan IVA dalam

sistem periodik unsur sedangkan Indium (In) meupakan atom dari golongan III A. Karena

Ge dan Si berasal dari golongan IV A, maka elektron valensinya berjumlah 4 (empat) buah,

dan In mempunyai elektron valensi sebanyak 3 (tiga) buah. Elektron valensi tersebut akan

berikatan satu dengan yang lain melalui ikatan kovalen.

                                            Gambar 1.3. Struktur ikatan Ikatan Gemanium (Ge) dan Silikon (Si) dengan Indium (In).

Ikatan Indium (In) berikatan dengan Silikon (Si) maupun Germanium (Ge),

Germanium dan silikon digunakan sebagai semikonduktor intrinsik yang akan dikotori,

sedangkan Germaniumdigunakan sebagai pengotor (doping). Pada ikatan ini akan

terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon

yang tidak berpasangan. Muatan positif ini disebut dengan lubang (hole) . Hole ini akan

cenderung untuk menarik sebuah elektron lain untuk menjadi atom yang stabil. Lubang

(Hole) baru tersebut akan diisi oleh elektron tetangga sebelahnya, yang juga meninggalkan

lubang baru ditempatnya semula, yang kemudian diisi oleh elektron tetangga sebelahnya

juga. Hal ini akan berlangsung sampai seterusnya. 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).

Pada pengotoran Germanium ( Ge) dan Silikon ( Si ) dengan menggunakan Indium

( In ) akan menghasilkan semikonduktor bertipe-p dan menimbulkan lubang (hole) dan

elektron. Dalam hal ini, hole berfungsi sebagai pembawa muatan mayoritas dan elektron

berfungsi sebagai pembawa muatan minoritas.

Komponen-komponen Semikonduktor

 1.      LDR

Resistor peka cahaya (Light Dependent Resistor/LDR) memanfaatkan bahan semikonduktor yang karakteristik listriknya berubah-ubah sesuai dengan cahaya yang diterima. Bahan yang digunakan adalah Kadmium Sulfida (CdS) dan Kadmium Selenida (CdSe). Bahan-bahan ini paling sensitif terhadap cahaya dalam spektrum tampak, dengan puncaknya sekitar 0,6 µm untuk CdS dan 0,75 µm untuk CdSe. Sebuah LDR CdS yang typikal memiliki resistansi sekitar 1 MΩ dalam kondisi gelap gulita dan kurang dari 1 KΩ ketika ditempatkan dibawah sumber cahaya terang (Mike Tooley, 2003).

LDR adalah suatu bentuk komponen yang mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral:

1. Laju Recovery

Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga di kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu ukuaran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. Harga ini ditulis dalam K /detik, untuk LDR type arus harganya lebih besar dari 200 K /detik (selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux), kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux.

2. Respon Spektral

LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya (yaitu warna). Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak. Dari kelima bahan tersebut tembaga merupakan penghantar yang paling banyak digunakan karena mempunyai daya hantar yang baik (TEDC, 1998).

 2.      Termistor

Termistor atau tahanan termal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Dalam beberapa hal, tahanan sebuah termistor pada temperatur ruang bisa berkurang sebanyak 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi. Dengan demikian termistor digunakan secara luas pada pemakaian tersebut, terutama dalam rangkuman temperatur rendah dari -100oC sampai 300oC. Tiga karakter penting dari termistor membuatnya sangat bermaanfaat terhadap pengukuran dan pengontrolan yaitu: (a) karakteristik temperatur tahanan, (b) karakteristik tegangan arus, dan (c) karakteristik arus waktu. Karakteristik pemanasan sendiri (self-heat), memberikan suatu bidang pemakaian yang sama sekali baru bagi termistor. Dalam keadaan yang memanasi sendiri, termistor adalah sensitive terhadap apa saja yang mengubah laju dari panas yang dihantarkan keluar darinya. Dengan begitu, termistor dapat digunakan untuk mengukur aliran, tekanan, tinggi permukaan cairan, komposisi gas dan lain-lain. akan tetapi jika laju panas adalah tetap, termistor sensitif terhadap masukan daya dan dapat digunakan untuk mengontrol level tegangan atau level daya. Perubahan tahan termistor yang relatif besar setiap perubahan temperatur dalam derajat (disebut sensitivitas) menjadikannya sebuah pilihan yang jelas sebagai transducer temperatur.

3.      Solar Cell

 

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

Sumber : http://blog.umy.ac.id/clasiccboy/2012/04/23/semikonduktor/