Semikonduktor

Semikonduktor adalah suatu bahan yang banyak dipakai dalam pembuatan komponen dasar elektronika, seperti Dioda, Transistor, JFET, MOSFET sampai pada IC (Integrated Circuits). Bahan Silikon dan Germanium yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika karena lebih stabil pada suhu tinggi.

1. Teori Atom

Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron serta neutron.Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan menghasilkan bahwa sebagian besar masa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti atom (di tengah-tengah atom). Atom terdiri atas nukleus (proton dan neutron) dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitas nukleus yang menyerupai sistem tata surya. Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan. Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa Elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom. Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit maka makin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan orbit atom dengan penamaan mulai huruf K sampai Q.

2. Struktur atom bahan semikonduktor

Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur. Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan seterusnya. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain. Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 (pentavalen) berfungsi membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron). Contoh : Jika sebuah silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif. Sedangkan jika didoping dengan boron atau galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe P karena memiliki muatan listrik positif.

3. Struktur atom Silikon dan Germanium

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :

a. Lebih stabil pada suhu tinggi,
b. Silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada Germanium (0,3 V).
c. Jumlah elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.
d. Memiliki elektron valensi yang sama, yaitu 4.

Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom silikon dengan empat elektro valensi dan +4 yang artinya 4 muatan positif proton.

Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya mempunyai jumlah elektron 8. Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon akan menarik empat elektron dari empat atom tetangganya sehingga membentuk kristal seperti gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.

Beberapa ikatan kovalen akan pecah karena pengaruh panas.. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah sehingga menghasilkan elektron bebas. Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas disebut energi gap (Eg). Adapun hubungan antara elektro dan kulit orbit adalah seperti gambar 6.

Hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit:

1. Elektron tidak dapat berada antara dua kulit orbit.

2. Elektron-elektron pada suatu kulit orbit punya suatu rentang tenaga.

3. Elektron perlu cukup tenaga untuk melompat ke kulit orbit yang lain.

Apabila ikatan kovelen pecah maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron bebas. Elektron bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang seperti gambar 7.

Pada suhu 0K tidak ada elektro yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan EG yang cukup dapat membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti gambar 8 dan gambar 9.

Arah aliran elektron seperti gambar 10 maka kebalikannya akan membuat arah aliran hole.

4. Semikonduktor jenis n 

Gambar 11 menunjukkan bahan semikonduktor jenis n dimana diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5 seperti Fosfor .

Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gamabr 12 diatas. 

5. Semikonduktor jenis p

Gambar 13 menunjukkan bahan semikonduktor tipe p dimana diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga).

Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar 14 diatas.

Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik ) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Jika ada sejumlah besar elektron pada salah satu tempat pada suatu bahan, sedang pada tempat lain hanya terdapat sedikit elektron, maka elektron-elektron akan mengalir dari tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai tercapainya suatu keseimbangan

DAFTAR PUSTAKA

1.    Boylestad, R. and Nashelsky, L., 1999, “Electronic Devices and Circuit Theory”, Prentice Hall, New Jersey.

2.    Hayt, W. H. and Neudeck, G. W., “Electronic Circuit Analysis and Design”, Houghton Mifflin Company, Boston.

3.    Coughlin, R. F. and Driscoll F. F., 1985, “Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.

4.    Paynter, R. T.,1997, ”Introductory Electronic Devices and Circuits”, Prentice Hall, New Jersey.

5.     Malvino, 1985, “ Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor: Pangantar Transistor dan Rangkaian Terpadu”, Penerbit Erlangga.

6.    Mike Tooley, 2002, “ Rangkain Elektronika: Prinsip dan Aplikasi”, Penerbit Erlangga

7.    Darwison, 2008, “Diktat Elektronika Analog”, Teknik Elektro – Unand, Padang.

8.    Darwison, 2010, “Diktat Dasar Elektronika”, Teknik Elektro – Unand, Padang.

9.    Darwison, 2010, “Panduan Praktikum Dasar Elektronika Digital”, Teknik Elektro – Unand, Padang.