SEMIKONDUKTOR

A.    Semikonduktor Intrinsik (murni) 

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika.  Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi  empat.  Struktur  kristal  silikon dan  germanium  berbentuk  tetrahedral dengan  setiap  atom memakai  bersama  sebuah  elektron  valensi  dengan  atom-atom tetangganya.  Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Gambar. Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi

B.    Doping  

Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang  diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV  untuk  silikon dan 0,7  eV  untuk  germanium.  Pada  temperatur ruang  (300K), sejumlah  elektron  mempunyai  energi  yang  cukup besar  untuk  melepaskan diri  dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas.  Besarya energi  yang diperlukan untuk melepaskan  elektron dari  pita  valensi  ke pita  konduksi ini  disebut  energi terlarang  (energy  gap).   Jika  sebuah  ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole).  Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai  kelebihan muatan negatif.  Kedua muatan  inilah  yang memberikan kontribusi  adanya  aliran  listrik pada  semikonduktor murni.   Jika elektron valensi  dari ikatan kovalen  yang  lain mengisi lubang  tersebut, maka  akan  terjadi lubang  baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lam ke lubang baru.

  

 

Gambar a) Struktur kristal  silikon memperlihatkan  adanya  sebuah  ikatan kovalen yang  terputus  dan b)  Diagram  pita energi menunjukkan  tereksitasinya elektron ke pita konduksi  dan meninggalkan lubang di pita valensi.

Atom silikon mempunyai elektron yang mengorbit (mengelilingi inti) sebanyak 14 dan8 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.

 

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

Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K

 

C.    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.

Gambar doping atom pentavalen

Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.  Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya.  Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun.  Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole) semakin meningkat.  Sehingga jumlah holenya menurun. 

D.    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 doping atom trivalen

Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron.  Jarak antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon.  Dengan demikian hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi

elektron valensi untuk menempati hole di level energi akseptor.  Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi yang merupakan pembawa muatan.

Semoga tulisan tentang semikonduktor  diatas bisa bermanfaat bagi pembaca sekalian... :-)