3. 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. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.
Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan
erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
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 (gambar
6.2). 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 lama ke lubang baru.
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 (lihat gambar 6.3).
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.
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)
1. Semikoduktor
Semikonduktor adalah bahan padat yang sifat hantaran listriknya terletak antara
bahan konduktor dan bahan isolator. Pada suhu rendah berprilaku seperti bahan isolator,
dan pada suhu tinggi berprilaku seperti bahan konduktor. Pita konduksi dan pita valensi
terisi sebagian serta band gapnya cukup sempit. Semikonduktor juga dapat diartikan
sebagai bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni
sebesar 10-6 sampai dengan 104ohm.m. semikonduktor dapat juga diartikan bahan yang
memiliki pita energi terlarang terlarang (forbidden band) atau energi gap (EG) yang relatf
kecil kira-kira sebesar 1 eV.
Pita Energi Si dan Ge
Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling
berimpit. Berdasarkan pengisian elektron, pita energi dapat dibedakan menjadai dua jenis,
yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi
penuh oleh elektron, sedangkan pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita
valensi yang terisi oleh sebagian atau tidak terisi sama sekali oleh elektron. Pada umumnya
diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut dengan celah
energi ( hole ).[1]
pita energi untuk Kristal
semikonduktor. pada keadaan kesetimbangan (equilibrium), pita energi terbagi menjadi
dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau
beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (forbidden gap atau band gap). Pita atas
dinamakan pita konduksi, dan pita bagian bawah dinamakan pita valensi.
Donor atau Semikonduktor Jenis n
Suatu unsure Sb ditambahkan dalam jumlah sedikit ke dalam semikonduktor Ge
dan Si. Atom-atom pencampur mempunyai ukuran yang sebanding dengan atom-atom Ge
dan Si. Di dalam Kristal, satu atom pencampur dikelilingi oleh atom-atom bahan
semikonduktor. Empat atom tetangga dari atom pencampur (Gambar 3). Elektron valensi
ke lima dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat dikeluarkan dan dibebaskan
dengan mengeluarkan sejumlah energy yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan
energy yang diperlukan untuk membongkar ikatan kovalen.
dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau pencampur menjadi ion tidak bergerak
bermuatan positif. Masing-masing atom pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu
electron bebas ke semikonduktor. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis ini
dinamakan semikonduktor jenis n karena pembawa-pembawa arus yang dihasilkan
merupakan muatan negative (elektron). Elektron-elektron bebas yang dihasilkan dengan
cara ini dinamakan electron berlebihan.
Elektron-elektron merupakan pembawa mayoritas dan lubang yang dibangkitkan
panas merupakan pembawa minoritas dalam semikonduktor jenis n. alam semikonduktor
jenis n, kalau n dan p berturut-turut menggambarkan konsentrasi electron dan konsentrasi
lobang, dapat ditunjukkan bahwa np = nipi = ni
2 dimana ni dan pi adalah nilai-nilai
intrinsik.
