Semikonduktor merupakan material zat padat yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm. Terdapat dua jenis tipe semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni tanpa atom pengotor,sedangkan semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang telah diberi atom pengotor. Pemberian atom pengotor pada semikonduktor dapat menyebabkan munculnya dominasi muatan pembawa.Bila konsentrasi elektron lebih banyak dari konsentrasi hole maka akan terbentuk semikonduktor tipe-n demikian pula sebaliknya bila hole lebih banyak dari elektron maka akan terbentuk semikonduktor tipe-p.
Material Semikonduktor
Bila ditinjau dari sifat listriknya, suatu bahan zat padat dapat dikelompokan menjadi beberapa bagian:
1. Bahan isolator yang memiliki harga resistivitas antara 1014 – 1022 Ω.cm 2. Bahan semikonduktor yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm 3. Bahan konduktor yang memiliki harga resistivitas 10-5 Ω.cm
Salah satu cara untuk menunjukkan perbedaan antara konduktor, semikonduktor, dan isolator yaitu dengan penggambaran tingkat-tingkat energi dalam bentuk pita energi untuk elektron-elektron dalam bahan. Penggambaran pita energi untuk masing-masing material tersebut ditunjukkan pada gambar 1 berikut.
38
Ketiga jenis bahan tersebut banyak dimanfaatkan untuk bahan baku pembuatan komponen- komponen elektronik, misalnya bahan isolator banyak digunakan sebagai lapisan dielektrik pada kapasitor metal-oksida-semikonduktor, bahan semikonduktor digunakan sebagai lapisan aktif pada komponen-komponen elektronik maupun komponen optoelektronik sedangkan konduktor sering digunakan untuk pembuatan kontak pada komponen elektronik.
Setiap bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki energi gap yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar 3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun divais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.
Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali dieksplorasi adalah Germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti untuk bahan baku pembuatan divais elektronik maupun optoelektronik adalah Silikon dengan pertimbangan bahan silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan II-VI atau III-V dalam tabel periodik (gambar 1) baik binary (paduan 2 unsur) maupun ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb, GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut masing-masing memiliki ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinya dapat disesuaikan dengan karakteristik fisisnya masing-masing.
39
Gambar 2 Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor
Model Ikatan atom pada bahan Semikonduktor
Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan kovalen. Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya ikatan kristal pada bahan Silikon. Gambar 3a menunjukan ilustrasi ikatan kovalen dari atom Silikon pada kondisi temperature nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom Silikon menyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila kristal semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini dapat membangkitkan pasangan elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan menjadi hole seperti nampak pada gambar 3b.
40 (a)
(b)
Gambar 3 Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur nol Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin
41
Model Pita Energi Semikonduktor
Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 4b), keadaan elektron valensi ini memiliki tingkat energi yang besarnya EV. Elektron valensi ini berkontribusi pada pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi dengan tingkat Energi EC (gambar 4a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi EC. Pada gambar 4c diilustrasikan keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron valensi pada tingkat energi EV akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat Energi EC. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi celah pita (energi gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang
dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.
(a) (b) (c) Gambar 4.
42 Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Tipe Semikonduktor
Berdasarkan pergerakan pembawa muatan dalam semikonduktor ada tiga cara yaitu:
1. Eksitasi elektron (semikonduktor instrinsik), 2. Impurity (Semikonuktor ekstrinsik), dan 3. Semikonduktor nonstoikiometri.
1.Eksitasi Elektron (semikonduktor intrinsik).
Dalam semikonduktor besar celah pita terlarang (band gap) sedemikian rupa sehingga elektron dapat melompati band gap dari pita valensi ke pita konduksi dengan energi minimum yang dibutuhkan sama dengan energi gap.
43
Gambar 5. Energi gap dalam golongan IV (skematik)
Pada Gambar 5 terlihat energi gap untuk C (intan), Si, Ge, dan Sn. Jumlah pembawa muatan dalam bahan tersebut dalam satu golongan semakinnkebawah akan semakin meningkat, akibatnya konduktivitas pun akan meningkat seperti yang ditunjukan pada Tabel 2. konduktivitas ini merupakan sifat dari bahan dan tidak ditimbulkan oleh ketidakmurnian (impurity). Oleh karena itu disebut semikonduktor intrinsic.
Tabel 2. Energi gap dalam semikonduktor elementer.
Elemen Enegi gap (eV) T=20oC Konduktivitas (T=20oC C (intan) Si Ge Sn (kelabu) 6 1.1 0.7 0.1 < 10-16 5 x 10-4 2 106
Ketiga unsur dalam golongan IV tersebut (Si, Ge, dan Sn) merupakan satu- satunya unsur yang bersifat semikonduktor dan memiliki struktur Kristal yang sama. Selain itu ada pula senyawa campuran golongan III ( B, Al, GA, In) dengan golongan V (N, P, As, Sb) memiliki sifat sebagai semikonduktor dan memiliki srtruktur yang sama misalnya SiC,AlSb, GaN,InAs, Zns dan contoh senyawa lainnya (van Vlack, 1994).
Pada material semikonduktor khususnya semikonduktor intrinsik, eksitasi elektron terjadi melewati bandgap dari pita valensi ke pita konduksi. Contohnya pada pembentukan ikatan atom Si (silikon). Senyawa silikon memiliki band gap sebesar 1,12 eV . Jika senyawa silikon tersebut diberi energi termal atau diberi energi cahaya yang lebih besar atau sama dengan 1,12 eV, maka elektron dari tingkat valensi akan tereksitasi ke tingkat konduksi.
44
Gambar 6. Diagram pita energi pada silikon
2. Impurity (semikonduktor ekstrinsik).
Ketidakmurnian dalam semikonduktor akan mempengruhi jumlah pembawa muatan dalam semikonduktor sehingga akan mengubah
konduktivitasnya. Pemberian pengotor (dopant) dapat menyebabkan munculnya tingkat energi baru dalam energi gap. Perubahan tingkat energi ini dapat digolongkan menjadi dua bagian tingkat energi yaitu tingkat akseptor dan tingkat donor. Tingkat akseptor merupakan tingkat energi yang muncul di ujung atas tingkat valensi, karena dapat menerima elektron yang meninggalkan pita valensi. Sedangkan tingkat donor merupakan tingkat energi yang muncul di ujung bawah pita konduksi, karena tingkat ini dapat memberikan elektron ke tingkat konduksi.
Gambar 7. Pemberian dopant pada struktur band gap semikonduktor memunculkan tingkat energi baru yaitu tingkat donor dan tingkat akseptor
Adanya pengotor (dopan) dapat mengubah nilai konduktivitas dan resistivitasnya.
45
Jika ke dalam semikonduktor transisi (intrinsik) ditambahkan dengan atom dari golongan V, maka dalam semikonduktor tersebut akan terdapat elektron yang berlebih, sehingga elektron yang berlebih tersebut akan bertindak sebagai donor contohnya adalah SiP, GeAs, ZnO dan yang lainnya. Oleh karena itu semikonduktor yang memiliki elektron yang berlebih dikenal dengan semikonduktor tipe-n.
Gambar 8. semikonduktor tipe-n
Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama hole karena generation akibat agitasi termal. Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole sebagai pembawa muatan minoritas.
Semikonduktor tipe P
Akan tetapi sebaliknya jika ke dalam semikonduktor transisi ditambahkan dengan atom dari golongan III, hal itu akan mengakibatkan dalam semikonduktor menjadi kekurangan elektron sehingga membuat semikonduktor menjadi lebi posistip contohnya adalah SiB, GeAl dan yang lainnya. Semikonduktor jenis ini dikenal dengan semikonduktor tipe-p .
Gambar 9. semikonduktor tipe-p
46
elektron bebas karena generation akibat agitasi termal. Hole menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron bebas sebagai pembawa muatan minoritas.
Untuk semikonduktor ekstriksik baik tipe-n maupun tipe-p konduktivitas ekstrinsik tidak akan naik terus menerus dengan kenaikan temperatur dan akan dijumpai pada suatu keadaan dimana nilai konduktivitanya konstan. Hal itu diakibatkan karena proses pengurasan donor dan penjenuhan akseptor.
3. Semikonduktor Nonstokiometri.
Pada keadaan ini hampir mirip dengan semikonduktor ekstrinsik, hanya saja disebabkan oleh ketidakmurnian hal yang lainnya yaitu pengaruh dari cacat sebagai hasil dari stoikiomeri. Elektron dan hole semikonduktor nonstoikiometri tereksitasi dalam pita konduksi dan valensi sebagai hasil reduksi dan oksidasi.
Pada cacat yang diakibatkan oleh stoikiomerti kristal akan menimbulkan celah pita terlarang antara pita valensi dan konduksi. Celah pita terlarang tersebut akan bertidak sebagai perangkap elektron atau hole. Elektron dan hole yang berada pada celah pita terlarang dapat loncat ke pita konduksi jika mendapat energi tambahan walaupun energinya lebih kecil dari energi gap (Reka Rio, 1999)
Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang berbanding lurus dengan medan listriknya.
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa. Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang memiliki konsentrasi rendah
47 Pergerakan pembawa muatan intrinsik
48