On Minggu, 24 Maret 2013
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 ikatannyaPada 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. Phenomena ini yang dinamakan
sebagai arus listrik.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.
Cara kerja semikonduktor
Pada
dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya
mengatur jumlah aliran arus listrik.
Untuk
mengerti cara kerja semikonduktor,
misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan
kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah
menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir
karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni
dianggap sebagai isolator.
Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai
mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion)
terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak
banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator),
karena pembawa muatanya tidak bebas.
Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator,
namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang
dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata
letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan elektronbebas dan hasilnya memungkinkan
terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit
terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan
bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus
ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah
elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.
Selain dari itu, silikon dapat
dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p.
Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan
yang baru, dinamakan “lubang” (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di
dalam tata letak kristal silikon.
Dalam tabung
hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi
thermionic dari sebuah katode
yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat
pembawa muatan positif (hole).
Dapat
disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak,
sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan
terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam
sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor
tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon,
pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut
(perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh
muatan yang berlawanan dari seberangnya.
Kenaikan
dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi
semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam
sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang
lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara
doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat
penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.
Jumlah
doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran
satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan
semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat
tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah
metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda
tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang
mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu
pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk
menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan
mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak
bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik
bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat
dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak.
Gambaran di
atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron atau
lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa
muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini
terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh
tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat
seperti dibentuk oleh dua diode yang disambungkan, sebuah transistor sendiri
tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor,
bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah
daerah basis yang sangat tipis.
DASAR-DASAR
SEMIKONDUKTOR
Suatu
penghantar listrik yang tidak baik disebut isolator, penghantar listrik yang
baik adalah konduktor. Dan bahan yang konduktiviasnya terletak diantara kedua
ekstrim ini disebut semikonduktor.
Semikonduktor
adalah suatu bahan yang mempunyai daerah hambatan yang kecil di bandingkan
dengan isolator, bahan semikonduktor yang paling penting adalah Germanium dan
Silicondengan nilai tegangan konduksi sebesar 0,2V u,tuk Germanium dan 0,7V
untuk Silicon. Bahan-bahan ini bersifat isolatorpada temperature yang rendah
maka bahan in dikatakan semikonduktor murni. Apabila temperature dinaikan,
sebagian dari electron valensi memperoleh panas yang lebih besar, dan terjadi
gerakan-gerakan electron dan gerakan hole(lubang)
BAHAN
TIPE P MAN TIPE N
Pada
umumnya bahan yang di padukan dengan semikonduktor murni adalah bahan-bahan
yang memiliki 3 atau 5 valensi electron.
Bahan
yang kelebihan electron disebut bahan tipe N sedangkan bahan yang kekurangan
elektron dinamakan bahan tipe P.
MUATAN
ELEKTRON BEBAS DALAM SEMIKONDUKTOS TIPE-N
Bahan-bahan
yang di doping pada bahan semikonduktor murni dan memiliki 5 valensi pada
masing-masing atomnya, maka pada kristal tersebut/dari hasil doping, akan
terdapat kelebihan electron yang berupa electron bebas.
MUATAN
HOLE DALAM SEMIKONDUKTOR
Bila
bahan semikonduktor murni didoping dengan bahan almunium atau bahan-bahan yang
bervalensi electron 3, maka akan terjadi muatan hole, atau kekosongan ikatan
kovalen,karena seperti telah kita ketahui bahwa bahan Ge dan Si memiliki 4
valensi electron,hole disini merupakan muatan P.
ARUS
DALAM SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor
tipe N memiliki electron bebas sebagai mayoritas carrier dan hole sebagai
minoritas carrier. Sedangkan pada bahan tipe P adalah sebaliknya. Bila
mayoritas carrier diberi tegangan, arus akan forward. Arus ini adalah arus
mayoritas pada tipe N dan arus mayoritas hole pada tipe P.
PEMASANGAN
P-N
Ditengah
sisi P dan sisi N terdapat daerah barier(daerah netral hole=electron) Tegangan
barrier ini untuk menjaga agar muatan-muatan electron bebas/hole supaya tidak melewati
titik persambungan. Tegangan barier adalah tegangan pada saat junction P-N
digunakan, dengan memberikan tegangan dari luar.
TEGANGAN
FORWARD DAN TEGANGAN REVERSE
Tegangan
forward karena tidak terdapat daerah barrier maka arus lewat(forward) serta
sebaliknya untuk tegangan reverse. Arus forward dapat di nyatakan, bila
polaritar positif sumber di berikan pada sisi P atau polaritas negative
dihubungkan pada sisi N. Bila polaritas dibalik maka dalam keadaan ini
hubungannya reverse.
ISTILAH-ISTILAH
DALAM SEMIKONDUKTOR
Doping:
Memasukan bahan semikonduktor lain yang bervalensi 3 atau 5 kedalam Germanium atau
Silicon yang bervalensi 4 Donor: Bahan yang digunakan untuk doping Akseptor:
Bahan semikonduktor yang menerima doping.
BAHAN-BAHAN
YANG BERVALENSI 3 DAN 5
Element Simbol Jumlah
valensi
Antimony Sb 5
Phosphours P 5
Arsenic As 5
Gallium Ga 3
Indium In 3
Alumunium Al 3
Borron B 3
Antimony Sb 5
Phosphours P 5
Arsenic As 5
Gallium Ga 3
Indium In 3
Alumunium Al 3
Borron B 3
