Dasar Teori Semikonduktor (1)

Apabila kita berbicara tentang elektronika maka tidak akan lepas dari semikonduktor. Memang pada awal kelahirannya elektronika didefenisikan sebagai cabang ilmu listrik yang mempelajari pergerakan muatan didalam gas ataupun vakum. Penerapannya sendiri juga menggunakan komponen-komponen yang utamanya memanfaat kedua medium ini, yang dikenal sebagai Vacuum Tube. Akan tetapi sejak ditemukannya transistor, terjadi perubahan tren dimana penggunaan semikonduktor sebagai pengganti material komponen semakin populer dikalangan praktisi elektronika. Puncaknya adalah saat ditemukannya Rangkaian Terpadu (Integrated Circuit) pada akhir dekade 50-an yang telah menyederhanakan berbagai rangkaian yang sebelumnya berukuran besar menjadi sangat kecil. Selain itu penggunaan material semikonduktor juga memberikan fleksibilitas dalam penerapannya.

Material semikonduktor, seperti juga material-material lainnya terdiri atas atom-atom yang berukuran sangat kecil. Atom-atom ini terdiri atas nukleus (inti) yang dikelilingi oleh sejumlah elektron. Nukleus sendiri terdiri atas neutron dan proton. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, sedangkan neutron netral. Elektron-elektron yang mengelilingi nukleus ini tersebar pada beberapa lapisan kulit dengan jarak tertentu dari nukleus, dimana energinya semakin meningkat seiring dengan meningkatnya jarak dari setiap lapisan kulit terhadap nukleus. Elektron pada lapisan terluar disebut elektron valensi. Aktifitas kimiawi dari sebuah unsur terutama ditentukan oleh jumlah elektron valensi ini.

Unsur-unsur pada tabel periodik telah disusun sedemikian rupa berdasarkan jumlah elektron valensinya. Silikon (Si) dan Germanium (Ge) berada pada Grup IV karena memiliki empat elektron valensi pada kulit terluarnya, sehingga disebut juga semikonduktor dasar (elemental semiconductor). Sedangkan Gallium Arsenik(GaAs) masing-masing berada pada Grup III dan V, sehingga dinamakan semikonduktor gabungan (compound semiconductor).

Atom-atom silikon yang berdiri sendiri dapat digambarkan sebagai lambang unsur (Si) dengan empat buah garis kecil yang terpisah (Gambar 1). Saat atom-atom ini berdampingan cukup, elektron valensinya akan berinteraksi untuk menghasilkan kristal. Struktur akhir kristalnya sendiri adalah dalam konfigurasi thetahedral sehingga setiap atom memiliki empat atom lainnya yang berdekatan. Elektron-elektron valensi dari setiap atom akan bergabung dengan elektron valensi dari atom didekatnya, membentuk apa yang disebut ikatan kovalen (covalent bonds) seperti terlihat pada Gambar 2. Salah satu sifat penting dari struktur ini adalah bahwa elektron valensi selalu tersedia pada tepi luar kristal sehingga atom-atom silikon lain dapat terus ditambahkan untuk membentuk kristal yang lebih besar.

Pada suhu T = 0 K, setiap elektron berada pada kondisi energi terendahnya, sehingga posisi pada tiap ikatan akan terisi penuh. Apabila sebuah medan listrik kecil diberikan pada struktur, elektron-elektron ini tidak akan bergerak, karena mereka akan tetap meloncat kembali pada atom individualnya. Karenanya, pada suhu 0 K silikon akan menjadi sebuah isolator, dimana tidak ada aliran muatan didalamnya.

Saat atom-atom silikon bergabung untuk membentuk sebuah kristal, elektron-elektronnya akan menempati pita energi tertentu yang diperbolehkan. Apabila suhu ditingkatkan, elektron valensinya dapat memperoleh tambahan energi thermal. Beberapa elektron mungkin memperoleh cukup energi thermal untuk memutuskan ikatan kovalen dan keluar dari posisi awalnya. Untuk memutus ikatan kovalen ini, elektron tersebut mesti memperoleh sejumlah energi minimum, Eg, atau sering juga disebut energi bandgap.

Elektron yang memperoleh energi minimum ini sekarang berada pada pita konduksi dan dikatakan menjadi elektron bebas. Elektron bebas ini didalam pita konduksi dapat berpindah-pindah sepanjang struktur. Jumlah aliran elektron pada pita konduksi inilah yang lalu akan menghasilkan arus.

Diagram pita energi ini dapat dilihat pada Gambar 3. Energi Ev adalah energi maksimum dari pita energi valensi, sedangkan energi Eg adalah perbedaan antara Ec dan Ev. Daerah antara kedua energi ini disebut sebagai forbidden bandgap. Elektron-elektron tidak dapat berada pada daerah ini, tetapi mereka dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi apabila memperoleh cukup energi.

Unsur yang memiliki energi bandgap yang besar, sekitar 3-6 elektron-Volt* (eV) adalah isolator, karena pada suhu kamar, tidak ada elektron bebas yang berada pada pita konduksi. Sebaliknya, unsur yang mengandung elektron bebas dalam jumlah yang sangat banyak pada suhu kamar adalah konduktor. Pada semikonduktor, energi bandgap-nya berada pada kisaran 1 eV.

Karena muatan total dari unsur adalah netral, apabila elektron yang bermuatan  negatif memecah ikatan kovalennya dan keluar dari posisi awalnya, sebuah ruang kosong yang bermuatan positif akan terbentuk pada posisi tersebut. Dengan meningkatnya suhu, maka akan lebih banyak ikatan kovalen yang pecah dan lebih banyak pula elektron bebas maupun ruang kosong positif akan terbentuk

Elektron valensi dengan energi thermal tertentu dan berdekatan dengan sebuah ruang kosong dapat berpindah posisi tersebut, sehingga terlihat seperti muatan positif yang bergerak diantara semikonduktor. Partikel bermuatan positif ini disebut hole. Pada semikonduktor, dua jenis partikel bermuatan ini berjasa dalam menghasilkan arus : elektron bebas yang bermuatan negatif, serta hole yang bermuatan positif. Konsentrasi elektron dan hole adalah parameter penting dalam karakterikstik dari sebuah unsur semikonduktor, karena mereka berpengaruh langsung terhadap besarnya arus.

Semikonduktor Instrinsik

Semikonduktor instrinsik adalah sebuah unsur semikonduktor kristal tunggal tanpa atom jenis lain didalamnya. Pada sebuah semikonduktor instrinsik, kepadatan elektron dan hole adalah sama (seimbang), karena satu-satunya sumber partikel ini adalah elektron dan hole yang terbentuk secara thermal. Untuk itu, kita menggunakan notasi ni untuk menyatakan konsentrasi pembawa intrinsik, yakni konsentrasi dari elektron bebas ataupun hole. Rumus untuk nilai ni ini adalah sebagai berikut :

dimana,

B adalah koefisien yang spesifik terhadap unsur semikonduktornya

Eg adalah energi bandgap (eV)

T, adalah suhu atau temperatur (K)

k, adalah konstanta Boltzman (86 X 10-6 eV/K)

e, notasi eksponensial

 

Nilai B dan E unsur dapat dilihat pada tabel dibawah ini,

Konsentrasi instrinsik ni adalah parameter penting yang sering muncul dalam persamaan-persamaan arus-tegangan pada komponen semikonduktor.

*elektron-Volt (eV) adalah satuan energi dimana sebuah elektron dipercepat melalui medan listrik sebesar 1 V, dan 1 eV setara 1.6e-19 Joule

Daftar Pustaka :

Neamen, Donald A. Microelectronics : Circuit Analysis dan Design. 3rd ed. NY : McGraw-Hill, 2007.