TEORI SEMIKONDUKTOR

2012 02.26

SIFAT DASAR BAHAN SEMIKONDUKTORMeski terlihat sepele, justru dari sini banyak yang terbuka pemahamannya dalam dunia digital khususnya elektro.check this out..Bahan semikonduktor merupakan bahan yang dipakai dalam pembuatan komponen elektronika seperti resistor, dioda, transistor, kapasitor, dan lain sebagainya. Antara bahan yang satu dengan yang lainnya mempunyai sifat dasar dan karakteristik yang berbeda. Sebelum mulai mempelajari komponen elektronika terlebih dahulu akan dipelajari tentang sifat dasar bahan semikonduktor sebagai berikut.A. TEORI ATOMAtom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron, serta neutron. Inti atom adalah sebagian besar massa atom dan semua muatan positif berkumpul pada sebuah titik di tengah-tengah atom. Atom terdiri atas nukleus dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitar nukleus yang menyerupai sistem tata surya. Nuklesu tersebut bermuatan positif dan merupakan inti atom, yang menjadi pusat hampir semua massa atom. Inti atom tersebut berisi proton dan neutron, dengan massa kira0kira 2000 kali massa elektron, sedangkan massa proton sama dengan massa neutron. Elektron memiliki sifat tarik menarik dengan proton dan tolak menolak dengan sesama elektron. Dari dal ini maka timbul konsep muatan listrik. Elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif, dan neutron tidak bermuatan atau netral.Menurut Niels Bohr (1913), elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom.

Atom dan lingkaran orbit elektronK, L, M, N, O, P, Q adalah kulit atau orbit elektron. Pada setiap kulit elektron hanya bergerak elektron-elektron dengan jumlah elektron maksimum. Jumlah elektron maksimum kulit K adalah 2, kulit L adalah 8, kulit M adalah 18, dst.

B. STRUKTUR ATOM BAHAN SEMIKONDUKTORBahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.Susunan elektron pada beberapa atom:Nama Unsur Lingkaran Orbit Jumlah Elektron Elektron ValensiK L M N O P Qborn 2 3 – - – - – 5 3alumunium 2 8 3 – - – - 13 3silikon 2 8 4 – - – - 14 4fosfor 2 8 5 – - – - 15 5galium 2 8 18 3 – - – 31 3germanium 2 8 18 4 – - – 32 4arsenikum 2 8 18 5 – - – 33 5

indium 2 8 18 18 3 – - 49 3antimon 2 8 18 18 5 – - 51 5barium 2 8 18 18 8 2 – 56 2

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi.D. SIFAT KONDUKTOR, ISOLATOR, DAN SEMIKONDUKTOR PADA PEMBUATAN KOMPONEN ELEKTRONIKAKonduktor adalah bahan yang konduktivitasnya tinggi sehingga dapat mengalirkan listrik dengan baik. Konduktor sering disebut dengan penghantar karena dapat menghantarkan arus listrik. Contoh, tembaga, seng, alumunium, baja, dsb.Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik karena konduktivitasnya rendah. Contoh, plastik, kayu kering, karet, kain, dll. Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll.

Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu:1. jalur valensiPenyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan ato-atom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi.2. jalur konduksiJalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik.3. jalur laranganJalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.

E. ARUS PADA SEMIKONDUKTORPada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi.Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik.Arus Drift

Bayangkan sebuah medan listrik diberikan pada suatu semikonduktor. Medan listrik ini akan menghasilkan gaya yang bekerja baik pada elektron bebas ataupun hole, yang lalu akan mengalami pergerakan dan kecepatan drift. Perhatikan sebuah semikonduktor tipe-n dengan sejumlah besar elektron bebas seperti terlihat pada Gambar 1. Medan listrik E lalu diberikan pada semikonduktor ini pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada elektron – yang karena bermuatan negatif – dalam arah yang berlawanan. Elektron tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdn (dalam cm/s) yang besarnyaDimana μn adalah konstanta mobilitas elektron dan diukur dalam cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai μn ini biasanya berkisar sekitar 1350 cm^2/V-s. Mobilitas ini dapat dipandang sebagai sebuah parameter yang mengindikasikan seberapa baik sebuah elektron dapat bergerak didalam semikonduktor. Tanda negatif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift elektron berlawanan arah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri lalu akan menghasilkan kerapatan arus drift Jn (dalam A/cm^2), yang besarnya adalahDimana n adalah konsentrasi elektron, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional memiliki arah yang berlawanan dengan aliran muatan negatif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan.

Selanjutnya, perhatikan sebuah semikonduktor tipe-p dengan sejumlah besar hole seperti terlihat pada Gambar 2. Medan listrik E lalu diberikan pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada hole-hole tersebut – yang karena bermuatan positif – dalam arah yang sama. Hole tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdp (dalam cm/s), yang besarnya adalahDimana μp adalah konstanta mobilitas proton dan -sekali lagi- diukur dalam satuan cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai μp ini biasanya berkisar sekitar 480 cm^2/V-s, atau tidak sampai setengahnya dari nilai mobilitas elektron up. Tanda positif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift hole searah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri akan menghasilkan kerapatan arus drift Jp (kembali, dalam A/cm^2), yang besarnya adalahDimana p adalah konsentrasi hole, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional akan searah dengan aliran muatan positif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan. Karena sebuah material semikonduktor selalu mengandung baik elektron maupun hole, kerapatan arus drift total ditentukan sebagai jumlah dari kedua komponen arus tersebut, sehingga

danDimana σ ini sering disebut sebagai konduktifitas dari semikonduktor dan ρ=1/σ sebagai resistifitas dari semikonduktor. Konduktifitas ini berhubungan erat dengan konsentrasi elektron dan hole. Apabila medan listrik yang timbul dihasilkan akibat sebuah perbedaan potensial (tegangan), maka persamaan diatas akan menghasilkan hubungan yang linier antara arus dan tegangan, sehingga akan sesuai dengan hukum Ohm.Dari persamaan kita juga dapat melihat bahwa konduktifitas dapat diubah dari semikonduktor tipe-n yang kuat dimana n>>p dengan mendadah (doping) pengotor pemberi (donor), menjadi semikonduktor tipe-p yang kuat dimana p>>n dengan mendadah (doping) pengotor penerima (acceptor). Kemampuan mengendalikan konduktifitas dari sebuah semikonduktor dengan cara memilih pendadahan yang sesuai telah memberi kita kesempatan untuk menghasilkan berbagai jenis komponen elektronika yang tersedia saat ini.

Arus DifusiPada difusi, partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi yang tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang rendah. Ini adalah fenomena statistikal dan berhubungan dengan teori kinetik. Untuk menjelaskannya, baik elektron maupun hole pada semikonduktor selalu berada pada pergerakan yang kontinyu. dengan kecepatan rata-rata yang ditentukan oleh suhu, dan dalam arah yang acak oleh pengaruh struktur kristal. Secara statistik, kita dapat mengasumsikan bahwa untuk setiap instan manapun, sekitar setengah dari partikel pada daerah dengan konsentrasi tinggi akan bergerak keluar dari daerah tersebut menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Kita juga dapat mengasumsikan bahwa pada saat yang bersamaan, sekitar setengah dari partikel dari daerah dengan konsentrasi rendah bergerak menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi. Bagaimanapun juga, oleh definisi, terdapat lebih sedikit partikel pada daerah dengan konsentrasi  rendah daripada yang terdapat pada daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi, Karenanya, aliran partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Ini adalah proses difusi yang paling dasar.

Sebagai contoh, perhatikan konsentrasi elektron yang bervariasi sebagai sebuah fungsi jarak x, seperti yang terlihat pada Gambar 3. Difusi elektron dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah menghasilkan aliran elektron dalam arah x negatif. Karena elektron bermuatan negatif, maka arah arus konvensionalnya akan menjadi x positif.Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi elektron dapat dinyatakan dalam persamaan berikutDimana e adalah besar (magnitude) muatan elektron, dn/dx sebagai gradien konsentrasi elektron, dan Dn adalah koefisien difusi elektron. Untuk hole, prinsip yang sama dapat digunakan. Pada Gambar 4, konsentrasi hole adalah sebuah fungsi jarak. Difusi hole dari daerah dengan koefisien tinggi ke daerah dengan koefisien yang lebih rendah akan menghasilkan aliran hole dalam arah x negatif. Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi hole dapat dinyatakan dalam persamaan berikutDimana e adalah besar (magnitude) dari muatan, dp/dx sebagai gradien konsentrasi hole, dan Dp adalah koefisien difusi hole. Perlu dicatat bahwa terjadi perubahan tanda pada kedua persamaan arus difusi ini. Hal ini dikarenakan perbedaan dalam penandaan muatan listrik antara muatan negatif elektron dengan muatan positif hole.Nilai mobilitas dalam persamaan arus drift dan nilai koefisien difusi pada persamaan arus difusi bukanlah dua kuantitas yang saling bebas. Keduanya terikat pada hubungan Einstein, yakni (pada suhu kamar)Kerapatan arus total adalah hasil penjumlahan komponen drift dan difusi. Untungnya, pada banyak kasus hanya ada satu komponen yang dominan untuk setiap waktu pada daerah semikonduktor yang diberikan.

Sebelum aryikel ini disimpulkan, maka disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. 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, bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silicon (si), germanium (ge) dan galium arsenida (gaas). germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam.

silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (o2). Terdpat dua tipe semiconduktor yakni Tipe-N dan Tipe-P

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.

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 meerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.P-N junction (persiapan antara P-N)Bila semiconductor tipe Pdan N secara kimiawi dibatasi satu dengan lainya, maka dibuat persamaan dimana tidak ada carrier (penghantar) seperti hole dan electron bebas ditahan bersama di bagian sempit dari permukaan persimpangan (junction).

Permukaan junction ini disebut dengan depletion layer, dan semiconductor yang dipisah disebut dengan PN junction semiconductor atau diode. Maka mutan listrik yang ada dari perbedaan polaritas satu dengan lainnya, menghasilkan sedikit potensial listrik, disebut dengan electric potential barrier.

1. Dioda PNJika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan–pakai lem barangkali ya, maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi.Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen semikonduktor sambungan PN.2. Transistor BipolarTransistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 dan polar = kutup.

Adalah William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar. Transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.3. Bias DCTransistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward bias). Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector mendapat bias negatif (reverse bias).

DASAR-DASAR SEMIKONDUKTOR

DASAR-DASAR SEMIKONDUKTOR

Suatu penghantar listrik yang tidak baik disebut isolator, penghantar listrik yang baik adalah konduktor. Dan bahan yang konduktiviasnya terletak diantara kedua ekstrim ini disebut semikonduktor.

Semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai daerah hambatan yang kecil di bandingkan dengan isolator, bahan semikonduktor yang paling penting adalah Germanium dan Silicondengan nilai tegangan konduksi sebesar 0,2V u,tuk Germanium dan 0,7V untuk Silicon. Bahan-bahan ini bersifat isolatorpada temperature yang rendah maka bahan in dikatakan semikonduktor murni. Apabila temperature dinaikan, sebagian dari electron valensi memperoleh panas yang lebih besar, dan terjadi gerakan-gerakan electron dan gerakan hole(lubang)

. BAHAN TIPE P MAN TIPE N

Pada umumnya bahan yang di padukan dengan semikonduktor murni adalah bahan-bahan yang memiliki 3 atau 5 valensi electron.

Bahan yang kelebihan electron disebut bahan tipe N sedangkan bahan yang kekurangan elektron dinamakan bahan tipe P.

MUATAN ELEKTRON BEBAS DALAM SEMIKONDUKTOS TIPE-NBahan-bahan yang di doping pada bahan semikonduktor murni dan memiliki 5 valensi pada masing-masing atomnya, maka pada kristal tersebut/dari hasil doping, akan terdapat kelebihan electron yang berupa electron bebas.

MUATAN HOLE DALAM SEMIKONDUKTORBila bahan semikonduktor murni didoping dengan bahan almunium atau bahan-bahan yang bervalensi electron 3, maka akan terjadi muatan hole, atau kekosongan ikatan kovalen,karena seperti telah kita ketahui bahwa bahan Ge dan Si memiliki 4 valensi electron,hole disini merupakan muatan P.

ARUS DALAM SEMIKONDUKTORSemikonduktor tipe N memiliki electron bebas sebagai mayoritas carrier dan hole sebagai minoritas carrier. Sedangkan pada bahan tipe P adalah sebaliknya.Bila mayoritas carrier diberi tegangan, arus akan forward. Arus ini adalah arus mayoritas pada tipe N dan arus mayoritas hole pada tipe P.

PEMASANGAN P-NDitengah sisi P dan sisi N terdapat daerah barier(daerah netral hole=electron)Tegangan barrier ini untuk menjaga agar muatan-muatan electron bebas/hole supaya tidak melewati titik persambungan.Tegangan barier adalah tegangan pada saat junction P-N digunakan, dengan memberikan tegangan dari luar.

TEGANGAN FORWARD DAN TEGANGAN REVERSETegangan forward karena tidak terdapat daerah barrier maka arus lewat(forward) serta sebaliknya untuk tegangan reverse.

Arus forward dapat di nyatakan, bila polaritar positif sumber di berikan pada sisi P atau polaritas negative dihubungkan pada sisi N. Bila polaritas dibalik maka dalam keadaan ini hubungannya reverse.

ISTILAH-ISTILAH DALAM SEMIKONDUKTOR

Doping: Memasukan bahan semikonduktor lain yang bervalensi 3 atau 5 kedalam Germanium atau Silicon yang bervalensi 4Donor: Bahan yang digunakan untuk dopingAkseptor: Bahan semikonduktor yang menerima doping.