Semikonduktor

Semikonduktor

Prinsip Dasar

Semikonduktor merupakan  elemen dasar  dari komponen  elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). 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. 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.

Ikatan Atom Tembaga

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 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 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Susunan Atom Semikonduktor 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, silicon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak  bahan ini dari alam. Silikon  merupakan bahan terbanyak  ke dua yang ada dibumi  setelah oksigen (O2).  Pasir, kaca dan batu-batuan  lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur  silikon  (Dapatkah anda menghitung jumlah pasir dipantai ?)

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. Pada suhu yang sangat rendah (0o

K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

Struktur Data Dimensi Silikon Kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak  dapat berpindah dari satu  inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian,  bahan semikonduktor  bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen  yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkanelektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepassehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron  valensi bebas dalam jumlah  lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.

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 electron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. 

Doping Atom pentavalen

Diagram Pita energi semi konduktor -N

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping  Boron,  Gallium  atau  Indium,  maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silicon 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.

Doping atom trivalen

Diagram Pita Energi Semikonduktor-P