G. ELEKTRON VALENS
2. Bahan Semikonduktor
Bahan Semikonduktor adalah bahan yang memiliki tingkat hantaran listrik diantara konduktor dan isolator. Konduktor adalah bahan yang bisa dan baik dalam menghantarkan listrik, sedangkan isolator merupakan bahan yang tidak bisa menghantarkan listrik. Semikonduktor merupakan bahan yang memiliki sifat diantara kedua bahan ini. Pada kondisi tertentu, semikonduktor merupakan isolator dan dengan dorongan tertentu bahan semikonduktor bisa menjadi konduktor.
Ada beberapa bahan yang termasuk kategori semikonduktor seperti silikon, germanium dan selenium. Bahan-bahan ini merupakan semikonduktor yang masih murni dan belum bisa dipakai untuk membuat komponen. Jadi sebelum bisa digunakan, bahan-bahan ini harus diinjeksi dengan bahan lain yang dikenal dengan istilah doping semikonduktor.
Proses doping pada semikonduktor adalah proses menambahkan material tertentu pada bahan semikonduktor murni sehingga merubah sifat kelistrikannya. Bahan-bahan yang umum dipakai untuk proses doping semikonduktor adalah Arsenic dan Indium. Bahan-bahan ini disebut juga dengan Dopant Semikonduktor.
Semikonduktor merupakan bahan yang penting dalam perkembangan dunia elektronika. Banyak sekali alat elektronika yang menggunakan bahan semikonduktor seperti komputer, laptop, smartphone, televisi, camera dan alat elektronik lainnya. Dengan semikonduktor, peralatan elektronik dapat dibuat lebih kecil dan compact serta menggunakan daya yang kecil. Semikonduktor menggantikan fungsi tabung sinar katoda yang memiliki ukuran dan daya yang lebih besar.
Semikonduktor murni yang sudah "didoping" dengan material lain akan memiliki tipe atau sifat kelistrikan tertentu. Tipe bahan semikonduktor ini dibedakan menjadi dua yaitu Semikonduktor tipe N dan semikonduktor tipe P. Nah, kombinasi dari kedua tipe semikonduktor inilah yang nantinya akan dibuat komponen yang siap dirangkai pada alat elektronika.
a. Struktur Fisis Bahan Semi konduktor
Silikon dan germanium adalah bahan yang biasanya dipakai sebagai bahan semi konduktor. Kedua bahan tersebut terdapat dalam kolom ke empat dari sistem periodik unsur-unsur kimia. Pada material ini, lapisan terluar elektron-elektron yang sering juga disebut lapisan valensi (menurut model atom Bohr), terdiri dari empat elektron yang memungkinkan suatu hablur atau kristal murni untuk membentuk ikatan-ikatan kovalen yang kuat.
Pada struktur atom silikon murni terdapat tiga lapisan yaitu lapisan dalam mempunyai dua elektron, lapisan tengah mempunyai delapan elektron, dan lapisan luar mempunyai empat elektron. Sedangkan pada struktur atom germanium murni,
terdapat empat lapisan masing-masing mengandung dua, delapan, delapan belas, dan empat elektron.
Ikatan kovalen yang terjadi adalah sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar untuk membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Dapat dikatakan bahwa pada temperatur kamar, bahan semi konduktor murni mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi, oleh karena itu merupakan bahan isolator. Tahanan jenis bahan semi konduktor akan turun dengan naiknya temperatur.
Untuk mempersiapkan bahan semi konduktor murni, misalnya digunakan sebagai transistor atau penyearah (rectifier), perlu dilakukan rekayasa (engineering) sehingga energi dari elektron-elektron pada lapisan valensi bertambah. Hal ini dapat dilakukan dengan suatu proses yang biasanya disebut doping, dimana bahan semi konduktor dicampur dengan bahan lain.
b. Macam-macam bahan semi konduktor
Bahan-bahan semi konduktor yang sering digunakan adalah Germanium dan Silikon. Sifat-sifat bahan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
1) Germanium
Germanium merupakan salah satu bahan semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium diperoleh sebagai serbuk berwarna kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan mereduksi germanium oksida. Selain itu juga dapat diperoleh dari pemurnian Kadmium dan seng.
Germanium adalah bahan semi konduktor yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti karbon atau silikon. Spesifikasi germanium adalah sebagai berikut:
Daya hantar panas : 0,14 Cal/cm dt °C
Kapasitas panas : 0,08 Cal/gr °C
Koefisien muai panjang (0-100°C) : 6 x
Titik lebur : 936°C
Permitivitas : 16 C2/N m2 Tahanan jenis listrik pada 20°C : 0,47 Ω m
Pada temperatur yang rendah, bahan semi konduktor ini bersifat sebagai isolator, kemudian pada suhu yang cukup tinggi, bahan ini berubah sifatnya menjadi bahan
penghantar yang baik. Germanium merupakan bahan yang sangat luas pemakaianya didalam pembuatan rectifier, transistor, dan peralatan semi konduktor yang lain.
Germanium yang dicampur dengan Arsen (As) disebut N-Germanium. N artinya negatif, karena pada temperatur kamar, germanium tipe N ini mempunyai banyak elektron bebas yang bermuatan negatif. Arsen yang memberikan elektron disebut donor. Germanium yang dicampur dengan Indium (In) yang mempunyai 3 elektron valensi disebut P-Germanium. P artinya positif, dan menunjukkan bahwa banyak sekali hole yang bermuatan positif yang ada dalam Germanium tipe P ini.
2) Silikon
Silikon (Si) tidak ditemukan dalam bentuk aslinya, akan tetapi ditemukan dalam bentuk silika yang direduksi dengan kokas dan kemudian dimurnikan dengan converter, menghasilkan SiO atau SiHCl , atau dengan proses didestilasi berulang- ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH .
Sifat-sifat silikon :
Mempunyai mobilitas yang tinggi Konstanta dielektriknya kecil Konduktivitas termis yang besar Disipasi panas yang baik.
Impurity ionization energy yang sangat kecil
Dari sifat-sifat silikon tersebut diatas, maka silikon banyak digunakan sebagai bahan semi konduktor, misalnya sebagai dioda rectifier, thyristor (SCR), dan lain-lain. Senyawa silikon, SiO (quartz), sering dipergunakan pada alat-alat optik dengan index bias 1,54.
Jenis bahan semi konduktor intrinsik umumnya mempunyai valensi empat dan ikatan dalam kristalnya adalah ikatan kovalen, hal ini dapat dimengerti karena elektron valensi pada kulit terluar dipakai bersama-sama.
Pada bahan semi konduktor intrinsik, hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh mengalirnya elektron karena panas. Apabila temperatur naik, maka akan terjadi random thermis sehingga akan ada elektron yang terbebas dari ikatan atomnya (elektron pada kulit terluarnya). Dengan terlepasnya elektron ini, maka terjadilah kekosongan elektron yang sering disebut “hole”. Hole ini mempunyai sifat seperti partikel-pertikel yang dapat menghantarkan arus listrik karena dapat berpindah- pindah, dan dianggap sebagai partikel yang bermuatan positif sebesar muatan elektron. Gerakan hole ini menyebabkan gerakan elektron yang terikat.
Sifat-sifat semi konduktor intrinsik:
Jumlah elektron bebas sama dengan hole
Hantaran arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole
Arah pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E dan berlawanan arah dengan pergerakan elektron
Umur rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur rata-rata dari sepasang elektron-hole (electron-hole pair) adalah jumlah waktu saat tertutupnya pasangan elektron-hole sampai bertemunya elektron bebas dengan hole. Adapun yang mengisi hole pada umumnya adalah elektron yang terikat dilapisan sebelah bawahnya. 2) Bahan Semi konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni)
Jenis bahan semi konduktor ekstrinsik didapat dengan jalan mengadakan doping antara bahan semi konduktor intrinsik dengan bahan yang valensinya berada dibawah atau di atas bahan intrinsik tersebut. Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi konduktor ekstrinsik, yaitu :
N-type semi konduktor P-type semi konduktor 3. Komponen Semikonduktor
Agar bisa dipakai pada peralatan elektronika, sebuah semikonduktor harus dibuat komponen. Ada dua jenis komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor yaitu discrete/potongan dan intergrated/kesatuan. Contoh komponen semikonduktor discrete yaitu dioda, transistor dan mosfet. Sedangkan contoh semikonduktor integrated adalah komponen IC.
Alat-alat elektronika yang menggunakan komponen semikonduktor dikenal dengan istilah solid state atau bentuk padat. Penggunaan komponen semikonduktor menggantikan fungsi tabung hampa yang dikenal dengan istilah vacum state atau bentuk hampa. Contoh alat elektronika pada zaman dahulu yang dibuat dengan semikonduktor dan paling fenomenal adalah radio transistor.