λArah getar
INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 2
8.2 Bahan Semikonduktor
8.2.1 Macam – Macam Bahan Semikonduktor .1 Semikonduktor intrinsik (murni)
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 8.5 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
123
dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
Gambar 8.5 Ikatankovalen dalam dua dimensi
Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silicon, karena pada suhu rendah semikonduktor kan berperilaku seperti isolator dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah - olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
124
J = (nµ + pµ )qε =σε n p
Gambar 8.7 Diagram pita energy menunjukkan tereksitasinya electron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang pita valensi.
Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut:
“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”
Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
( 8.3 ) dimana : n dan p= konsentrasi elektron dan lubang (m-3)
n µ dan p µ = mobilitas elektron dan lubang (m2 V-1 s-1) (n p) q n p σ = konduktivitas (S cm-1
Properti
)
Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan sebagai i n = p = m (8.3) dimana i n disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan germanium diperlihatkan pada tabel 8.3
Tabel 8.3 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K
Silicon Germaniu
m
Energy terlarang/gap (eV) 1,1 0,67
Mobilitas electron, μp(m2V-1s-1) 0,135 0,39
Mobilitas lubang, μp(m2V-1s-1) 0,048 0,19
Konsentrasi intrinsik, n1(m-3) 1,5 x 1016 2,4 x 1019
Resistifitas intrinsic, ρ1(Ωm) 2300 0,46
8.2.1.2 Semikonduktor ekstrinsik ( tak murni )
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah dikotori atau disisipi oleh atom lain. Pengotoran atau penyisipan atom lain pada suatu
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
125
semikonduktor biasanya bertujuan untuk meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Tidak semua electron valensi atom murni bahan dapat digunakan sebagai atom pengotor. Agar suatu bahan dapat digunakan sebagai atom pengotor, maka ia harus memenuhi syarat antara lain memiliki ukuran sama tau hamper sama dengan atom murni agar dapat menempati kisi – kisi pada atom murni tanpa merusak susunan Kristal dan memiliki electron valensi yang berbeda satu denganelektron valensi atom murni. Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni. Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada table. Semi konduktor ekstrinsik adalah semikonduktor instrinsik yang mendapat pengotoran (doping) atom - atom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara 1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1 juta.
Tabel 8.4 Elemen Semikonduktor pada Tabel Periodik
KOLOM III KOLOM IV KOLOM V
5 B BORON 10,82 6 C CARBON 12,01 7 N NITROGEN 14,008 13 Al ALUMUNIUM 26,97 14 Si SILICON 28,09 15 p PHOSPORUS 31,02 31 Ga GALLIUM 69,72 32 Ge GERMANIUM 72,60 33 As ARSENIC 74,91 49 In INDIUM 114,8 50 Sn TIN 118,7 51 Sb ANTIMONY 121,8 8.2.2 Doping Dengan Atom Donor dan Akseptor
Semikonduktor murni disebut sebagai bahan intrinsic. Sebelum bahan semikonduktor dapat dipakai untuk manufaktur divais, atom-atom impuriti harus ditambahkan pada semikonduktor murni. Proses ini disebut doping, dan dengan proses ini konduktivitas bahan dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahan semikonduktor yang telah di-doping disebut bahan extrinsic. Ada dua macam doping, doping dengan atom donor dan doping dengan atom akseptor. Doping dengan atom donor menghasilkan elektron-elekttron bebas di conduction band (yaitu elektron-elektron yang tidak terikat pada sebuah atom). Doping dengan atom akseptor menghasilkan hole di valence band, yaitu kekurangan elektron-elektron valensi di dalam bahan.
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
126 8.2.2.1 Doping dengan atom donor
Dilaksanakan dengan jalan menambahkan atom-atom impuriti yang mempunyai lima elektron dan tiga hole di orbit valensi. Atom-atom impuriti membentuk ikatan kovalen dengan atom silikon atau dengan atom germanium, tapi karena atom-atom semikonduktor mempunyai hanya empat elektron dan empat hole di orbit valensinya, maka ada kelebihan sebuah elektron orbit valensi untuk setiap atom impuriti ditambahkan. Setiap kelebihan elektron itu masuk ke dalam conduction band sebagai sebuah elektron bebas. Karena tidak ada hole untuk elektron kelima dari orbit terluar dari atom impuriti, karena itu, elektron tsb menjadi elektron bebas. Karena elektron bebas mempunyai muatan negatip, bahan yang di-doping dengan atom donor disebut bahan semikonduktor jenis-n.
Gambar 8.8 Atom donor
Elektron-elektron bebas di conduction band dapat dengan mudah dgerakkan di bawah pengaruh suatu medan listrik. Akibatnya, terjadi kebanyakan konduksi terjadi oleh gerakan elektron di dalam bahan semikonduktor yang di-doping dengan atom donor. Bahan yang di-doping itu tetap netral secara listrik (yaitu tidak bermuatan baik listrik positip maupun listrik negatip), karena jumlah total elektron (termasuk elektron bebas) tetap sama dengan jumlah total proton di dalam nucleus atom. (Jumlah proton di dalam setiap atom impuriti sama dengan banyaknya elektron orbit.) Istilah doping dengan atom donor berasal dari kenyataan bahwa ada sebuah elektron yang didonorkan pada conduction band oleh setiap atom impuriti. Atom impuriti donor biasanya antimon, fosfor, dan arsen. Karena mempunyai lima elektron valensi, atom itu disebut atom-atom pentavalen.
8.2.2.2 Doping dengan atom akseptor
Digunakan atom-atom impuriti yang mempunyai orbit terluar yang mengandung tiga elektron valensi dan lima hole. Atom-atom dengan tiga elektron valensi (atom trivalen) itu adalah boron, aluminium, dan gallium. Atom-atom ini membentuk ikatan dengan atom-atom semikonduktor, tapi ikatan itu kekurangan satu elektron untuk sebuah orbit terluar dengan delapan elektron lengkap. Pada gambar di bawah ini, atom impuriti digambarkan dengan mempunyai hanya tiga elektron valensi, sehingga ada hole dalam ikatannya dengan atom-atom di sekitarnya. Jadi, doping dengan atom akseptor, hule timbul ke dalam valence band, sehingga konduksi terjadi dengan proses pemindahan hole.
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
127 Gambar 8.9 Hole
Karena hole dikatakan mempunyai muatan positip, bahan semikonduktr yang di-doping dengan atom akseptor disebut sebagai bahan jenis-p. Separti pada jenis-n, bahan itu tetap netral secara listrik, karena jumlah total elektron orbit dalam setiap atom sama dengan jumlah total proton di dalam nucleus atom. Hole dapat menerima sebuah elektron bebas, karena itu disebut doping dengan atom akseptor. Bahkan pada bahan semikonduktor intrinsic pada suhu kamar, mempunyai sejumlah elekktron bebas dan holes. Hal ini disebabkan oleh energi termal yang menimbulkan beberapa elektron memutus ikatan dengan atom-atomnya dan masuk ke conduction band, jadi membentuk pasangan-pasanngan elektron dan hole. Proses itu disebut hole-electron pair generation, dan proses sebaliknya disebut recombination. Seperti namanya, rekombinasi terjadi bila sebuah elektron bersatu ke dalam sebuah hole di valence band. Karena lebih banyak elektron dari pada hole di bahan jenis-n, elektron-elektron itu disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut pembawa muatan minoritas. Pada bahan jenis-p, hole adalah pembawa muatan majoritas dan elektron adalah pembawa muatan minoritas.
8.2.3 Type Semikonduktor Ekstrinsik