BAHAN SEMIKONDUKTOR

Bab 7
PENGANTAR


Istilah semikonduktor dipergunakan untuk zat dengan tahanan jenis
dalam selang harga antara 10-5 sampai 105 ohm-meter.
Penggolongan zat menurut tahanan jenis disertakan dalam tabel:
Kategori

Tahanan jenis
Ohm-meter
Isolator
105 - 1017
Semikonduktor
10-5 - 105
Logam dan semi-logam
10-8 – 10-5
Setelah piranti elektronik dasar terbuat dari kristal semikonduktor
yang dikenal sebagai transistor yang dibuat oleh Bardeen dkk
(1954), minat ilmuwan untuk mempelajari sifat semikonduksi bahan
padat meningkat tajam.
Ciri fisik utama bahan semikonduktor antara lain:




Selang harga tahanan jenis 10-5 – 105 ohm-meter
Tahanan jenis menurun dengan kenaikan suhu, menurut persamaan
1; sedang tahanan jenis logam meningkat dengan kenaikan suhu,
menurut persamaan 2.
Tahanan
jenis
semikonduktor
sangat
dipengaruhi
oleh
ketidakmurnian kimiawi di dalamnya, cahaya yang menyinarinya,
medan listrik, dan medan induksi magnetik.
Pengukuran koefisien Hall dan tahanan jenis memberikan pembawa
muatan yang berpolaritas negatif (elektron) dan positif.
T  o exp .(  T ),  0
1
T   2731  a(T  273)., a 0
2
Pengukuran untuk mengetahui sifat dasar bahan semikonduktor
menyangkut:



Tahanan jenis (atau konduktivitas listrik σ)
Konsentrasi, polaritas, dan mobilitas pembawa muatan listrik, (melalui
pengukuran koefisien Hall dan hasil pengukuran konduksi).
Penentuan jurang energi.
Struktur Kristal dan Muasal Sifat Semikonduksi pada Germanium dan
Silikon
 Germanium (Ge) dan Silikon (Si) berstruktur intan. Tetangga terdekat setiap
atom berjumlah empat buah (bilangan koordinat: 4). Ditunjukkan dalam
sketsa di bawah.
(lanjutan)




Ikatan kovalen antara atomnya membentuk kristal Ge dan Si. Setiap
atom saling berbagi & menerima 4 elektron kulit terluarnya dengan 4
tetangga yang terdekat.
Bilamana suhu kristal ditingkatkan maka akan naik pula
kebolehjadian terlepasnya elektron ikatan. Artinya konsentrasi
elektron bebas naik. Hal ini menerangkan mengapa tahanan jenis
menurun apabila suhu kristal dinaikkan.
Dalam diagram energi, ionisasi elektron ikatan dipresentasikan
dengan perpindahan satu elektron dari pita valensi ke pita konduksi.
Tempat kosong yang ditinggalkan di pita valensi merupakan suatu
hole.
Dalam proses de-ionisasi elektron bebas, elektron bergabung
kembali dengan hole di pita valensi. Energi sebesar 1,8 eV hilang
diserap kristal. Karena proses itu, satu elektron bebas di pita
konduksi dan satu hole di pita valensi sirna.
Semikonduktor Intrinsik dan Ekstrinsik





Teknologi dan penelitian ilmiah semikonduktor mempersyaratkan
bahan yang sangat murni. Bahan baku harus memiliki kemurnian
99,99% yang kemudian harus diproses lebih lanjut menjadi
sekurang-kurangnya 10 kali lebih murni.
Bahan semikonduktor bersifat intrinsik bilamana konduktivitasnya
tidak ditentukan oleh konsentrasi ketidakmurnian kimiawi dalam
kristal.
Semikonduktor bersifat ekstrinsik bilamana konduktivitas bahan
ditentukan oleh ketidakmurnian kimiawi dalam kristal.
Bahan semikonduktor yang sama dapat bersifat ekstrinsik pada
suhu rendah, namun bersifat intrinsik pada suhu yang lebih tinggi.
Konduktivitas dipengaruhi suhu kristal
Semikondukor yang Dibubuhi Atom Donor atau Atom Aseptor




Bila unsur As (gol.V) dibubuhkan pada kristal silikon yang murni
dengan berikatan seacara kovalen, satu elektron terionisasi
menjadi elektron bebas. Karena menyumbang elektron apabila
terionisasi, maka dinamakan donor.
Pada suhu yang lebih tinggi, akan lebih banyak elektron di pita
valensi akan tereksitasi ke pita konduksi.
Kontribusi elektron oleh atom donor terhadap konduktivitas
dapat diabaikan terhadap kontribusi dari hasil perpindahan
elektron dari pita valensi ke pita konduksi.
Pada suhu yang relatif lebih tinggi, bahan yang dibubuhi atom
donor merupakan bahan semikonduktor intrinsik.
(lanjutan)



Pada suhu yang agak tinggi (1/T berharga rendah) bahan semikonduktor
bersifat intrinsik; pada suhu yang agak lebih rendah (1/T berharga agak
lebih rendah) semikonduktor bersifat ekstrinsik.
Pembubuhan unsur B pada silikon menyumbang hole pada kristal Si,
atom B dinamakan atom aseptor, dan kristalnya merupakan
semikonduktor tipe p, karena menyumbang pembawa muatan
berpolaritas positif.
Presentasi peredaran hole mengelilingi ion B- dan kedudukan ‘acceptor
state’ dalam diagram pita energi ditampilkan dalam 2 sketsa di bawah
Rapat Pembawa Muatan dalam Semikonduktor


Pada umumnya semikonduktor mengandung atom donor dan
atom aseptor
Elektron tercipta dalam pita konduksi karena ionisai donor oleh
getaran termal (suhu rendah) atau karena rangsangan termal
yang mengakibatkan elektron pindah dari pita valensi ke pita
konduksi.
Daerah Intrinsik



Karena atom donor maupun aseptor tidak terlalu menentukan
konduktivitas intrinsik, maka dapat dianggap bahwa untuk daerah ini
berlaku: ne ≡ nk, ne adalah jumlah pembawa muatan negatif
(elektron) per satuan volume, sedangkan nk jumlah pembawa
muatan positif (hole) per satuan volume.
Jumlah pembawa muatan per satuan volume disebut konsentrasi.
Syarat bagi keadaan intrinsik adalah bahwa ne ≡ nk << |Nd - Na|
dengan Nd dan Na masing-masing konsentrasi donor dan akseptor
dalam bahan.
(lanjutan)

Fungsi fermi-Dirac

( E  EF 
f ( E )  1  exp .

k BT 

1
menjadi
E 
E

f ( E )  exp . F  exp .
k
T
k
T
 B 
 B 
Ec, EV, E, adalah masing-masing harga energi terendah pita konduksi,
energi tertinggi pita konduksi, dan energi Fermi
(lanjutan)

Jumlah ‘electron states’ per satuan volume per satuan energi untuk
E>Eg adalah :
3
2
 E 
  Eg
m k T 
ne  2 e 2B 2  exp . F  exp .
 2 h 
 k BT 
 k BT




Hukum Aksi Massa
3
  Eg
 k BT 
2
me mh  exp .
ne nh  4
2 
 2h 
 k BT
3




Tahanan jenis semikonduktor elemental di daerah intrinsik (suhu
rendah) adalah:
 Eg 
  Eg 
3
 ln    ln A  ln T  

  A T exp .
2
 2k BT 
 2kBT 
1
Pengaruh Atom Bubuhan


Kehadiran atom reseptor dalam bahan tidak mungkin dihindari,
karena sangatlah mustahil untuk membuat kristal yang betul-betul
murni.
Dengan mengukur konduktivitas listrik dan koefisien Hall sebagai
fungsi T padatan dan unsur bubuhan dapat diperoleh gambaran
tentang prilaku semikonduktor.
1
RH  
ne
e muatan elektron dan n jumlah elektron konduksi per volume.
Sambungan P-N
 Batas tipis antara bagian kristal semikonduktor dengan pembawa
muatan mayoritas tipe-n dan bagian lainnya dengan pembawa
muatan tipe-p, dinamakan sambungan p-n.
 Umumnya tebal batas antara dua daerah tersebut adalah sekitar
10-8 meter.
Sambungan p-n dengan ‘voltage bias’


Sambungan p-n dengan ‘voltage bias’ adalah sambungan p-n dengan
medan listrik luar yang berasal dari beda potensial sebesar V dari suatu
baterei.
Arus total yang dihasilkan dengan ‘reverse dan forward bias voltage’ yang
melintas sambungan adalah


 eV
I  I1  exp .
 1


k BT





eV

I  I s exp .
 1


k BT


Berikut adalah sketsa ‘reverse dan forward bias voltage’.
(lanjutan)



Untuk ‘reverse bias voltage’ arus
diode p-n menuju ke suatu harga
jenuh apabila beda potensial
yang meningkat
Sedangkan untuk ‘forward bias
voltage’ arus diode p-n meningkat
secara eksponensial dengan
kenaikan beda potensial
Lengkung
hasil
pengukuran
eksperimental
menunjukkan
sesuainya hasil pengukuran dan
teori tentang efek penyearahan
pada
sambungan
p-n.
Sambungan
seperti
itu
berperilaku sebagai diode.
Diagram Pita Energi Germanium dan Silikon
 Sumbu vertikal menyatakan
energi elektron (eV) dan
sumbu horizontal vektor
gelombang K (pseudo
momentum, 2π/a).
 Dari grafik terlihat bahwa
pita valensi terdiri dari dua
bagian terpisah karena ikatan
spin-garis edar elektron.
 Jurang energi terkecil
antara puncak pita valensi dan
dasar lembah pita konduksi
adalah Eg = 0,66eV,
(lanjutan)




Suatu elektron dapat melakukan transisi dari ‘electron state’ yang
pertama ke ‘electron state’ yang kedua.
Umpamanya, karena interaksi dengan foton berenergi Ev
bermomentum linier KV yang diikuti oleh penciptaan fonon berenergi
hωq, dan vektor gelombang hq.
Hukum kekekalan energi dan dan momentum linier menurut:
EV = Eg + hωq
hkV + hko = hq + hk1
dengan ko = 0 dan k1 = 2π/a (1/2, 1/2, 1/2 ), adalah masing-masing
vektor gelombang elektron sebelum dan sesudah transisi.
Hukum kekekalan untuk transisi tak-langsung yang menyangkut
penyerapan fonon adalah :
EV + hωq = Eg, dan hkV + hq = hk1
Silikon

Berikut adalah sketsa pita energi untuk
Silikon.

Energi transisi terkecil untuk
pindah dari puncak pita valensi ke
lembah paling rendah di pita
konduksi memerlukan foton
berenergi Ev = 1,08 eV.
Untuk silikon, permukaan dengan
energi elektron yang konstan di
kedudukan energi terendah pada
pita konduksi, terletak pada
permukaan sferoid dalam ruang
(k1, k2, k3).
Energi elektron dinyatakan dengan


 k g2
k y2  k z2 

E (k )  h  2 
2 
 2m
2mt 
 t
2
Proses Lain Absorpsi Foton
 Proses lain yang kemungkinan terjadi
pada semikonduktor: absorpsi eksiton,
absorpsi pembawa muatan bebas, dan
absorpsi ketidakmurnian kimiawi.
 Abs. elektron menjelaskan pasangan
elektron di pita konduksi dan hole di pita
valensi tidak bebas satu dari yang lain,
melainkan tetap merupakan satu sistem
yang saling tarik-menarik.
 Abs.pembawa muatan bebas
menjelaskan elektron di pita konduksi
ataupun hole di pita valensi dapat
menyerap foton tanpa mengalami transisi
ke pita yang lain.