SEMIKONDUKTOR
21.19
Semikonduktor
1. Penjelasan Semikonduktor [kembali]
Semikonduktor adalah
suatu bahan yang banyak dipakai dalam pembuatan komponen dasar elektronika, seperti
Dioda, Transistor, JFET, MOSFET sampai pada IC (Integrated Circuits). Semikonduktor disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor baik sebab memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektron dapat bergerak bebas.
Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.
Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.
Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik.
Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak delapan buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari satu dan kurang dari delapan. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki empat elektron valensi.
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.
2. Struktur Atom Bahan Semikonduktor [kembali]
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, seperti
tabel 1. Agar
konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping),
seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain.
Nama Unsur
|
Lingkaran orbit
|
Jumlah elektron
|
Elektron valensi
|
||||||
K
|
L
|
M
|
N
|
O
|
P
|
Q
|
|||
Boron
|
2
|
3
|
5
|
3
|
|||||
Silikon
|
2
|
8
|
4
|
14
|
4
|
||||
Fosfor
|
2
|
8
|
5
|
15
|
5
|
||||
Galium
|
2
|
8
|
18
|
3
|
31
|
3
|
|||
Germanium
|
2
|
8
|
18
|
4
|
32
|
4
|
|||
Arsenikum
|
2
|
8
|
18
|
5
|
33
|
5
|
|||
Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P. Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 berfungsi embentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).
2.1 Semikonduktor tipe n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan.
Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.
Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.
Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. disebut juga sebagai donor yang siap melepaskan elektron
2.2 Semikonduktor tipe - p
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).
Semikonduktor tipe p dibentuk dari doping yang bervalensi 3, sehingga menyebabkan bahan semikonduktor menjadi kekurangan elektron seperti Boron (B) dan Galium (Ga).
Semikonduktor tipe p dibentuk dari doping yang bervalensi 3, sehingga menyebabkan bahan semikonduktor menjadi kekurangan elektron seperti Boron (B) dan Galium (Ga).
Hole pada semikonduktor tipe - p
Arus tenaga elektron valensi atom akseptor.
Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. 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.
3.1 Resistansi
Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu sendiri.
3.2 Dioda P - N
Jika dua bahan semikonduktor didekatkan akan akan didapatkan sambungan p - n (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya material tipe p dan tipe n bukan disambung, melainkan dari suatu bahan (monolitic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.
Dioda terdiri atas dua bahan semikonduktor, maka terdapat tiga kemungkinan dalam pengaplikasiannya, yakni :
a. Tidak ada bias (V = 0)
Saat tidak adanya tegangan yang masuk ke dalam bahan, hole pada bahan tipe n dengan tanpa daerah deplesi akan masuk kedalam bahan tipe - p. Semakin dekat hole ke junction (daerah sambungan), maka akan semakin besar tarikan dari ion negatif.
b. Reverse Bias (V<0)
Saat tegangan V volt ditambahkan pada p-n junction, dengan terminal positif terhubung kepada bahan tipe n dan terminal negatif terhubung ke bahan tipe p maka jumlah dari ion positif pada daerah dari bahan tipe n akan meningkat sesuai dengan jumlah elektron bebas. Hal ini menyebabkan tampah menebalnya daerah deplesi.
c. Forward Bias (V > 0 )
Forward bias akan terjadi saat terminal positif dari tegangan V volt terhubung ke bahan tipe p hingga menyebabkan adanya "pressure" antar elektron tipe n dengan holes pada tipe p yang akan menyebabkan terjadinya penggabungan antar ion dan menipisnya ketebalan daerah deplesi.
3.2 Transistor Bipolar
Transistor 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.
