Ilmu Bahan Listrik-Semikonduktor

BAB I

PEMBAHASAN

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika sepertidioda, 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.

Semikonduktor  organik telah menjadi perhatian dalam dunia penelitian sejak 50 tahun yang lalu. Bahan organik dengan kandungan karbon, hidrogen dan oksigen, telah menarik perhatian para peniliti, karena ikatan antar molekul yang lemah dalam keadaan solid , dapat menjadikan bahan organik sebagai bahan insulator dan semiconductor. Akhir-akhir ini diketahui juga bahwa bahan organik semiconductor bersifat photoconductive dibawah sinar biasa. Penemuan ini menarik perhatian industri untuk aplikasi dalam electrophotography dan tabung sinar dalam LCD (Liquid Crystal Display).

Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Untuk informasi bagaimana semikonduktor digunakan sebagai alat elektronik, lihat alat semikonduktor.

Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada system periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser.

Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.

Tahanan secara khusus pada tembaga yang digunakan sebagai conductor listrikan adalah 10-6 _ cm yang merupakan tahanan paling rendah, meskipun tahanan pada Ni-Cr yang digunakan sebagai kabel hambatan adalah 10-4 _cm, karena itulah material ini disebut dengan conductor karena keduanya dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Bila tahanannya lebih dari 10′° _cm maka kecil sekali arus yang dapat dihantarkan olehnya sehingga material tersebut digunakan sebagai insulator.

Diantara material conductor dan insulator ada yang tidak tergolong conductor dan nonconductor, yang disebut dengan semiconductor, diantaranya adalah germanium dan silicon digunakan dalam pembuatan diode dan transistor.

Semiconductor dapat menjadi conductor atau nonconductor tergantung dari kondisinya (hubungan antara tegangan , arus listrik, tempertur dan sebagainya). Element utama yang paling banyak digunakan adalah silicon (Si) dan germanium (Ge), dan conductor yang tingkat kemurniannya tinggi disebut dengan intrinsic semiconductor. Silicon dan germanium sebenarnya mempunyai empat elektron yang berada di luar orbitnya. Yaitu struktur krinstal elektron, bentuknya menjadi atom yang memiliki empat elektron dengan pasangan atomnya. Karena ikatan pasangannya, material ini menjadi insulator listrik dan memiliki nilai listrik kecil, sehingga tidak dapat digunakan sendiri sebagai meterial semiconductor. Oleh karena itu bahan ini digunakan sebagai bentuk semiconductor impurity dengan menambahkan sedikit element atom lain pada intrinsic atom ini pada valence 4.

Tahanan jenis bahan semi konduktor antara sekitar 10-3 Wm sampai dengans sekitar 10+3 Wm. Atom-atom bahan semi konduktor membentuk krristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen. Bahan semi konduktor yang banyak dipakai dalam elektkronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Pada 0 0K SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV.

Bahan-bahan Semikonduktor

·         TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In)

·         TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon(Si) dan Germanium (Ge)

·         PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor(P),  Arsenikum(As), dan Antimon(Sb)

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 yangke-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 elektrondan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya. 

 

Ikatan atom tembaga 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. Phenomenaini yang dinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektronini.

Dapat diketahui semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektronvalensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi. 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 selain itu silikon 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.

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan intiatom 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 (0oK), struktur atom silicon divisualisasikan seperti pada gambar berikut:

Struktur padatan Cu dan Struktur Kristal Si

a.       Struktur diamond Si 

b.      Ikatan Tertrahedron

c.       Ikakatan tetrahedron 2 dimensi

Struktur dua dimensi 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 memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak  memungkinkan untuk  menjadi  konduktor yang baik .

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV 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. Besarnya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap).

Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskansebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrik”Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai: konduktivitas (S cm-1). Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni,

Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk elektron – hole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.