SEMIKONDUKTOR

SEMIKONDUKTOR
oleh: Ichwan Yelfianhar
dirangkum dari berbagai sumber
Pengertian Umum
Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat
setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk
oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi
bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan
konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah
dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan
perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian
tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh
karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah
menghantar.
KONSEP PITA ENERGI SEMIKONDUKTOR
Hukum dasar yang menjelaskan hubungan antara elektron dengan kulit
orbit :

elektron bergerak dalam kulit orbit. Elektron tidak dapat mengelilingi inti
atom dalam ruangan yang ada antara dua buah kulit orbit.

setiap kulit orbit berhubungan dengan sebuah range energi
khusus,elektron-elektron yang bergerak dalam suatu kulit orbit akan
memilki sejumlah energi yang sama.
Catatan : level energi dalam kulit akan meningkat ketika makin jauh dari
inti atom. Hal ini dapat disimpulkan maka elektron valensi selalu memilki
level energi yang tertinggi dalam setiap atom.

elektron untuk berpindah dari suatu kulit ke kulit yang lain menyerap
energi untuk menyesuaikan level energi antara level energi kulit awal
dengan level energi kulit yang dituju.

Jika suatu atom menyerap cukup energi untuk berpindah dari suatu kulit
yang satu kekulit yang lain, sebenarnya elektron ini kembali melepaskan
energi yang diserapnya dan mengembalikannya ke kulit energi yang
rendah
Celah & level energi Silikon
Pita Konduksi
e4=1.8eV
Celah Energi
Pita Valensi
e3=0.7eV
e2
e1
Pita energi untuk Konduktor, semi
konduktor, dan Isolator
Karakteristik Bahan Semikonduktor


Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada sistem
periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan
Karbon (C). Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk kristal
intan. Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi
sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek
panas pada pembuatan semikonduktor laser.
Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang
dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2
dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6)
sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor
gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II
dan VI misalnya CdTe dan ZnS.
Tabel Bahan Semikonduktor
Tabel Karakteristik Semikonduktor
Struktur Ikatan Atom Semikonduktor
Struktur ikatan atom bahan semikonduktor dapat
diamati pada Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Galium
Arsenida (GaAs). Hampir semua bahan semikonduktor
yang dibentuk memiliki struktur ikatan kovalen, baik
pada semikonduktor elemental maupun semikonduktor
gabungan. Semikonduktivitas dapat terjadi dengan
memberikan energi maupun pengotor (dopping)
sehingga pada ikatan kovalen yang sempurna akan
terbentuk hole atau kelebihan elektron, sehingga
muncul sifat semikonduktor.
Jenis Semikonduktor
Berdasarkan mekanisme terbentuknya gejala semikonduktivitas, semikonduktor terdiri atas:
Semikonduktor Intrinsik
Terbentuk dari semikonduktor murni yang memiliki
ikatan kovalen sempurna seperti Si, Ge, C dan
sebagainya.
Semikonduktor Ekstrinsik
Terbentuk dari semikonduktor murni yang dikotori
oleh atom dopping sebagai penghasil elektron
konduksi atau hole. Terdiri atas dua tipe: Tipe – N (
Silikon + Phospor atau Arsenic) dan Tipe – P (Silikon
+ Boron, Galium atau Indium)
Semikonduktor Intrinsik
Mekanisme terbentuknya semikonduktor intrinsik
diperlihatkan pada semikonduktor murni seperti Si.
Pada kondisi normal atom – atom Si saling berikatan
melalui 4 ikatan kovalen (masing – masing memiliki 2
elektron valensi). Ketika suhu dinaikkan maka stimulasi
panas akan mengganggu ikatan valensi ini sehingga
salah satu elektron valensi akan berpindah ke pita
konduksi. Lokasi yang ditinggalkan oleh elektron valensi
ini akan membentuk hole. Pasangan hole dan elektron
ini menjadi pembawa muatan dalam semikonduktor
intrinsik. Proses ini diperlihatkan pada gambar berikut:
Semikonduktor Intrinsik
a. Kondisi normal
b. Kondisi terstimulasi
Celah Energi Semikonduktor Intrinsik
Besar energi yang dibutuhkan
untuk
membentuk
pasangan
elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan
oleh jarak celah energi antara
pita valensi dengan pita konduksi
semakin jauh jaraknya maka
semakin besar energi yang
dibutuhkan untuk membentuk
elektron – hole sebagai pembawa
muatan. Pada Si dibutuhkan
energi Eg = 1,12 eV.
Celah Energi Semikonduktor Intrinsik
Semakin kecil celah energi maka jumlah pembawa muatan semakin
meningkat. Sehingga konduktivitas dari unsur golongan IV pada
sistem periodik meningkat dari karbon ke silikon, germanium dan
timah putih. Konduktivitas ini merupakan sifat dasar dari bahan
dan tidak ditimbulkan oleh kotoran, oleh karena itu dinamakan
semikonduktivitas intrinsik. Perbandingan celah energi unsur pada
golongan IV diperlihatkan pada gambar berikut:
Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik terbentuk melalui mekanisme
doping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan elektron
valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen
sehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.
Mekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikan
atom pengotor ke bahan semikonduktor murni sehingga
apabila atom pengotor memiliki kelebihan elektron
valensi (valensi 5) akan terdapat elektron bebas yang
dapat berpindah. Apabila semikonduktor murni
diberikan pengotor dengan valensi kurang (valensi 3)
maka akan terbentuk area kosong (hole) yang menjadi
pembawa muatan. Mekanisme ini menentukan jenis
semikonduktor yang dibentuk (tipe – N atau tipe – P)
Semikonduktor Tipe-N
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.
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.
Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor
Semikonduktor mempunyai pembawa muatan negatif dan positif.
Elektron yang melompat ke pita konduksi disebut pembawa
muatan jenis negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung
pada mobilitas n dalam pita konduksi semikonduktor.
Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi merupakan
pembawa muatan jenis positif. Konduktivitas yang dihasilkan
tergantung pada mobilitas p dalam pita valensi semikonduktor.
Sehingga konduktivitas seluruhnya merupakan gabungan dari
keduanya, dirumuskan :
Dengan n : jumlah pembawa muatan
  mobilitas muatan
q : besar muatan yang dibawa (0,16 x 10-18 Coulomb)
Mobilitas Muatan Pada Semikonduktor
Pada semikonduktor intrinsik pembawa muatan negatif adalah
elektron yang berpindah ke pita konduksi sehingga meninggalkan
lubang (hole) pada pita konduksi sebagai pembawa muatan positif
sehingga nn = np, dan persamaan konduktifitas ( dapat
disederhanakan.
Pada semikonduktor ekstrinsik nn tidak sama dengan np sehingga
bentuk persamaan tersebut dapat tetap digunakan.
Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar daripada
mobilitas lubang elektron dalam semikonduktor yang sama.
Sehingga karakteristik konduktivitas semikonduktor tipe –n
berbeda dengan dengan semikonduktor tipe –p.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas
Semikonduktor
Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan meningkatnya
suhu. Hal ini dapat disebabkan karena :
Jumlah pembawa muatan n, bertambah sebanding dengan
jumlah elektron yang dapat melompati celah. Pada suhu
0oK, tidak ada elektron yang mempunyai cukup energi
untuk melompat, akan tetapi dengan naiknya suhu, energi
elektron bertambah, pada 20oC, sejumlah elektron valensi
dalam silikon, germanium dan timah memiliki energi Eg
sebesar celah energi yang dibentuk.
Sehingga
distribusi
elektron
pada
semikonduktor
yang
mendapatkan energi thermal adalah:
dimana, ni adalah jumlah elektron/m3 dalam pita konduksi.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas
Semikonduktor
Dalam sela energi E rata-rata terdapat ditengah-tengah celah,
sebanding dengan Eg/2, sehingga persamaan sebelumnya menjadi:
Dengan: T adalah suhu absolut (K)
k adalah konstanta Boltzmann (86,1 x 10-6 eV/K)
Konduktivitas  berbanding lurus dengan jumlah muatan n, oleh
karena itu:
dimana 0 adalah konstanta pembanding yang mencakup faktorfaktor, q dan  dari persamaan tadi.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas
Semikonduktor
Mobilitas  memang tergantung pada suhu akan tetapi
perubahan tersebut berada dalam batas-batas daerah
kerja semikonduktor umumnya dan kecil bila
dibandingkan dengan perubahan eksponensial dari
jumlah pembawa muatan n, oleh karena itu :
Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktor diukur
di laboratorium maka Eg dapat dihitung dari kemiringan
kurva, ln T terhadap Eg (kemiringan = - Eg/2k).
sebaliknya bila diketahui Eg dan , kita dapat
menghitung  pada suhu tertentu.
Pemanfaatan Semikonduktor
Semikonduktor merupakan terobosan dalam teknologi
bahan
listrik
yang
memungkinkan
pembuatan
komponen elektronik dalam wujud mikro, sehingga
peralatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yang
lebih kecil. Beberapa komponen elektronik yang
menggunakan bahan semikonduktor yaitu:
Dioda
Transistor
IC (Integated Circuit)
Mikroprosesor
Dioda


Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar.
Diode memiliki banyak tipe dan tiap tipe memiliki
fungsi dan karakteristik masing-masing.
Kata Diode berasal dari Di (Dua) & Ode (Elektrode),
jadi Diode adalah komponen yang memiliki dua
terminal atau dua electrode yang berfungsi sebagai
penghantar arus listrik dalam satu arah. Dengan kata
lain diode bekerja sebagai Konduktor bila beda
potensial listrik yang diberikan dalam arah tertentu
(Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagai
Isolator bila beda potensial listrik diberikan dalam
arah yang berlawanan (Bias Reverse) Tipe dasar dari
diode adalah diode sambungan PN.
Kurva Karakteristik Diode
LAPISAN PENGOSONGAN DIODA
Bias Forward pada Diode
Bias Reverse pada Diode
Light Emiting Diode (LED)
Transistor
Transistor adalah komponen elektronik yang dibuat dari
materi semikonduktor yang dapat mengatur tegangan
dan arus yang mengalir melewatinya dan dapat
berfungsi sebagai saklar elektronik dan gerbang
elektronik.
Transistor dapat digunakan pada:
 Rangkaian Switching
 Rangkaian Penguat
 Rangkaian Osilasi
 Sensor
Transistor
Transistor yang umum digunakan dinamakan Bipolar
Junction Transistor (BJT) karena dirancang dari semi
konduktor tipe N dan P yang dihubungkan melalui
penghubung (junction). Bagian – bagiannya antara lain:
Transistor
Transistor BJT ada dua jenis yaitu:
 Tipe NPN
 Tipe PNP
Transistor
Prinsip kerja transistor BJT diperlihatkan pada gambar
berikut:
Transistor
Arus masuk ke terminal emiter akan di salurkan ke
terminal kolektor dan basis. Besar arus yang dihasilkan
diterminal kolektor dapat diatur dengan mengatur
tegangan yang diberikan antara terminal basis dan
emiter. Besar arus yang diperoleh pada terminal
kolektor dirumuskan:
Dengan I0 = arus emiter, V0 = tegangan emiter – basis,
B = konstanta basis
Integrated Circuit (IC)
Integrated Circuit merupakan komponen elektronik
yang terdiri atas beberapa terminal transistor yang
tergabung membentuk gerbang. Masing – masing
gerbang dapat dioperasikan sehingga membentuk
logika
tertentu
yang
dapat
mengendalikan
pengoperasian suatu perangkat elektronik.
Gabungan dari beberapa buah IC dan komponen lain
dapat diproduksi dengan menggunakan bahan
semikonduktor dalam bentuk chip. Chip multifungsi ini
kemudian dikenal sebagai mikroprosesor yang
berkembang hingga sekarang.
Perkembangan IC
Teknologi
Nama
Jumlah
Komponen
Tahun
SSI
Small Scale Integrated
<100
Awal 1960
MSI
Medium Scale
Integrated
100-1000
Awal 1960
LSI
Large Scale Integrated
1000-10000
Awal 1970
VLSI
Very Large Scale
Integrated
10000-10000
Akhir 1970
ULSI
Ultra Large Scale
Integrated
100000>
Awal 1980
Macam-macam Semikonduktor dan
penggunaannya
Macam-macam Semikonduktor dan
penggunaannya