SEMIKONDUKTOR

A. PENGERTIAN DASAR Bahan Semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat konduktivitas diantara konduktor dan isolasi, disebut juga sebagau Bahan Setengah Konduktor Struktur pita energi pada semikonduktur hampir sama dengan struktur pita energi pada isolator . Akan tetapi celah energi antara pita valensi dan pita konduksi pada isolator relatif kecil , yaitu sekitar 1,1 eV. Pada suhu rendah, semikonduktur akan berperilaku seperti isolator, sedangkan pada suhu tinggi elektron yang berada pada pita valensi akan memperoleh energi kinetik yang mampu untuk memindahkan elektron ke pita konduksi sehingga pada pita konduksi terdapat elektron yang dapat bergerak bebas. .Contoh : Silikon (Si) Germanium (Ge) Gallium Arsenida(Ga.As)  Untuk peralatan elektronik frekuensi tinggi Banyak digunakan dalam bidang elektronika. seperti dioda, transistor, IC, dll

Pita energi bahan Semikonduktor pada suhu rendah Pita energi bahan Semikonduktor pada suhu tinggi

Tabel : Elemen Semikonduktor Periodik

Struktur dua dimensi kristal Silikon B. SUSUNAN ATOM Semikonduktor Intrinsik (murni) Silikon dan Germanium  jenis semikonduktor penting dalam elektronika  terletak pada kelompok IV dengan valensi = 4 Gambar berikut menunjukkan bentuk ikatan kovalen dalam dua demensi Gambar.1 : Struktur dua dimensi kristal Silikon Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Energi untuk melepaskan ikatan kovalen : Silikon = 1,1 eV dan Germanium = 0,7 eV, Semakin tinggi suhu ruangan 300 oK  energi kovalen juga akan meningkat

Proses aliran muatan tersebut disebut dengan “ arus drift”, yaitu : Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah berlawanan karena pengaruh medan listrik  sehingga kerapatan arus menjadi berubah. Secara matematis dinyatakan dalam : Dimana : n = konsentrasi jumlah elektron (m-3) p = konsentrasi jumlah lubang /hole (m-3) µn = mobilitas elektron (m2.V-1.s-1) µp = mobilitas elektron (m2.V-1.s-1) σ = konduktivitas (s.cm-1) Karena terjadi hole dan elektron secara serentak, maka bahan semikonduktor murni akan terjadi jika jumlah n = p = n1  n1 = kosentrasi Intrinsik

Semikonduktor Ekstrinsik (tidak murni) Kita dapat memasukkan pengotor (doping) berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik ke dalam Silikon dan Germanium murni. Tujuan dari doping adalah meningkatkan kondukvitas semikonduktor untuk memperoleh semikonduktor dengan satu pembawa muatan (elektron atau hole saja) 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 trivalent 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)  aseptor Gambar.2. : Doping atom trivalent

Doping atom pentavalent 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 Gambar.3. : Doping atom pentavalent EG = energi Gape ED = energi doping (donor) EC = energi konduksi EV = energi valensi

B. PROSES GENERASI DAN REKOMBINASI Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik) tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Secara matematik dinyatakan dalam : En =  tergantung pada jenis bahan Dimana : eVG = energi gap (eV) k = konstanta Boltzmann T = temperatur oK Pada bahan semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderung mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R) dalam pasangan elektron –hole perdetikpermeter kubik  tergantung pada jumlah muatan yang ada, Secara matematik dinyatakan : Dimana : r = konstantan proposionalitas bahan

Dalam keadaan seimbang besar laju generasi = besar laju rekombinasi, Untuk semikonduktor murni berlaku : dan Jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping) maka yang lain harus berkurang, sehingga : untuk semikonduktor murni berlaku : Untuk semikonduktor tidak murni : ND = konsentrasi donor

C. PROSES DIFUSI Jika kosentrasi doping tidak merata ( non uniform) akan didapat konsentrasi partikel yang bermuatan tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadi mekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Misal : adanya gerakan elektron dari sisi yang padat ke sisi yang tidak padat. Gerakan muatan tersebut menghasilkan “ arus difusi “ besarnya sebanding dengan gradien konsentrasi (dn/dx), secara matematis dinyatakan dalam : Dn = konstantate difusi untuk elektron Dp = konstanta difusi untuk hole (D = m2 / detik) Jika gradien kosentrasi = neg  gerakan elektron dari –x adalah positif menuju +x gradien kosentrasi = pos  gerakan elektron dari +x adalah positif menuju - x

Simbul : 1, Dioda PN 2, Transisitor

3, JFET (Junction Field Effect Transistor) 4, MOSFET (Metal Oxide Silikon FET) IRF510