Operasi komponen elektronika benda padat seperti
dioda, LED, Transistor Bipolar dan
FET serta Op-Amp
atau rangkaian terpadu lainnya
didasarkan atas sifat-sifat
semikonduktor. Semikonduktor
adalah bahan yang
sifat-sifat kelistrikannya
terletak antara sifat-sifat
konduktor dan isolator. Sifat-sifat kelistrikan konduktor
maupun isolator tidak
mudah berubah oleh pengaruh
temperatur, cahaya atau medan
magnit, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitive.
Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki
sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas
tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron. Dalam struktur atom,
proton dan neutron membentuk inti atom yang
bermuatan positip, sedangkan
elektron-elektron yang
bermuatan negatip mengelilingi
inti. Elektron-elektron ini
tersusun berlapis-lapis. Struktur atom
dengan model Bohr dari bahan
semikonduktor yang paling
banyak digunakan adalah silikon dan germanium.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 atom silikon mempunyai elektron yang mengorbit (mengelilingi
inti) sebanyak 14 dan atom germanium
mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah
elektron dalam orbit
sama dengan jumlah proton dalam
inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: -1.602-19 C
dan muatan sebuah
proton adalah: +1.602-19
C.
Elektron
yang menempati lapisan
terluar disebut sebagai elektron valensi. Atom
silikon dan germanium
masing mempunyai empat elektron valensi. Oleh karena itu baik atom silikon maupun
atom germanium disebut
juga dengan atom tetra-valent (bervalensi empat). Empat elektron
valensi tersebut terikat dalam
struktur kisi-kisi, sehingga
setiap elektron valensi akan membentuk
ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang
bersebelahan. Struktur kisi-kisi
kristal silikon murni
dapat digambarkan secara
dua dimensi pada Gambar 2 guna memudahkan pembahasan
Meskipun
terikat dengan kuat
dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi
tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi
panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari
ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan
elektron bebas. Pada suhu ruang
terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas
dalam 1 cm3 bahan silikon
murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron
bebas pada germanium.
Semakin besar energi
panas yang diberikan
semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen,
dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.
Semi Konduktor
Tipe-N
Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi
(didoping) dengan bahan bervalensi
lain maka diperoleh
semikonduktor ekstrinsik. Pada
bahan semikonduktor
intrinsik, jumlah elektron bebas
dan holenya adalah
sama. Konduktivitas semikonduktor
intrinsik sangat rendah,
karena terbatasnya jumlah pembawa
muatan yakni hole
maupun elektron bebas tersebut.
Jika bahan silikon
didoping dengan bahan
ketidak murnian (impuritas) bervalensi
lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni,
arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat
dilihat pada Gambar 3.
Karena
atom antimoni (Sb)
bervalensi lima, maka
empat elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silikon
sedangkan elektron valensi
yang kelima tidak mendapatkan pasangan. Oleh karena itu ikatan elektron kelima ini dengan
inti menjadi lemah
dan mudah menjadi
elektron bebas. Karena
setiap atom depan
ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom
donor. Dan electron “bebas” sumbangan
dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau
konsentrasinya.
Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron
bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini
tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih
sama dengan jumlah
keseluruhan elektronnya.
Pada bahan type n disamping
jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas)
meningkat, ternyata jumlah
holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan karena dengan
bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole dan
elektron ber-rekombinasi
(bergabungnya kembali elektron dengan
hole) semakin meningkat. Sehingga
jumlah holenya menurun.
Bahan
semikonduktor tipe n dapat dilukiskan seperti pada Gambar 5. Karena atom-atom
donor telah ditinggalkan
oleh elektron valensinya (yakni
menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan positip. Sehingga
digambarkan dengan tanda positip. Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa
mayoritas. Dan pembawa minoritasnya
berupa hole.
Semi Konduktor
Tipe-P
Apabila
bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping
dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi
tiga, maka akan diperoleh semikonduktor
type p. Bahan
dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron,
galium, dan indium. Struktur kisi-kisi
kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 6.
Karena
atom dopan mempunyai
tiga elektron valensi,
dalam Gambar 6 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen
yang bisa dipenuhi. Sedangkan tempat
yang seharusnya membentuk ikatan
kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole)
dan bisa ditempati
oleh elektron valensi
lain. Dengan demikian sebuah atom
bervalensi tiga akan
menyumbangkan sebuah hole. Atom
bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap
untuk menerima elektron.
Seperti
halnya pada semikonduktor
type n, secara
keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral. Karena jumlah hole dan elektronnya
sama. Pada bahan
type p, hole
merupakan pembawa muatan mayoritas.
Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole
sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.
Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti
pada Gambar 8. Karena atom-atom akseptor
telah menerima elektron,
maka menjadi ion yang bermuatan negatip.
Sehingga digambarkan dengan tanda negatip. Pembawa
mayoritas berupa hole
dan pembawa minoritasnya berupa elektron.
0 komentar:
Posting Komentar