Semi Konduktor

Prinsip Dasar

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.

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Gallium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada di bumi setelah oksigen (O₂). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasir di pantai.

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0^oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

struktur dua dimensi kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. Kenyataannya demikian, mereka memang iseng sekali dan jenius.

Tipe-N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

doping atom pentavalen

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalent yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

doping atom trivalent

Resistansi

Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu sendiri.

Dioda PN

Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan–pakai lem barangkali ya, maka akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolithic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.

sambungan p-n

Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.

forward bias

Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi.

Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, Varactor dan Varistor adalah beberapa komponen semikonduktor sambungan PN yang dibahas pada kolom khusus.

Transistor Bipolar

Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi = 2 dan polar = kutup. Adalah William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar.

Transistor NPN dan PNP

Akan dijelaskan kemudian, transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah inovasi yang menggantikan transistor tabung (vacuum tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.

Bias DC

Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emitter-Base adalah satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward bias). Pada gambar ilustrasi transistor NPN berikut ini, junction base-emitter diberi bias positif sedangkan base-collector mendapat bias negatif (reverse bias).

Arus elektron transistor NPN

Karena base-emitter mendapat bias positif maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emitter menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutup ini. Misalnya tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor. Inilah alasannya mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron.

Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan ‘keran’ base diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Dengan kata lain, arus base mengatur banyaknya elektron yang mengalir dari emitter menuju kolektor. Ini yang dinamakan efek penguatan transistor, karena arus base yang kecil menghasilkan arus emitter-collector yang lebih besar. Istilah amplifier (penguatan) menjadi salah kaprah, karena dengan penjelasan di atas sebenarnya yang terjadi bukan penguatan, melainkan arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar. Juga dapat dijelaskan bahwa base mengatur membuka dan menutup aliran arus emitter-collector (switch on/off).

Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti pada gambar berikut. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.

Arus hole transistor PNP

Untuk memudahkan pembahasan prinsip bias transistor lebih lanjut, berikut adalah terminologi parameter transistor. Dalam hal ini arah arus adalah dari potensial yang lebih besar ke potensial yang lebih kecil.

arus potensial

IC : arus kolektor

IB : arus base

IE : arus emitor

VC : tegangan kolektor

VB : tegangan base

VE : tegangan emitor

VCC : tegangan pada kolektor

VCE : tegangan jepit kolektor-emitor

VEE : tegangan pada emitor

VBE : tegangan jepit base-emitor

ICBO : arus base-kolektor

VCB : tegangan jepit kolektor-base

Perlu diingat, walaupun tidak perbedaan pada doping bahan pembuat emitor dan kolektor, namun pada prakteknya emitor dan kolektor tidak dapat dibalik.

penampang transistor bipolar

Dari satu bahan silikon (monolithic), emitor dibuat terlebih dahulu, kemudian base dengan doping yang berbeda dan terakhir adalah kolektor. Terkadang dibuat juga efek dioda pada terminal-terminalnya sehingga arus hanya akan terjadi pada arah yang dikehendaki.

2. Dalam dunia elektronika kita tidak mungkin terlepas dari apa yang dinamakan bahan–bahan listrik. Terdapat tiga klasifikasi utama dalam dunia elektronika yang sering dijumpai yakni; isolator, konduktor dan semikonduktor.

Perbedaan mendasar dari ketiga jenis bahan ini adalah terletak ada tahanan jenis tiap–tiap bahan. Untuk isolator memiliki tahanan jenis 10⁴Ωm – 10¹⁴Ωm, konduktor memiliki tahanan jenis 10^-7Ωm – 10^-8Ωm, sedangkan untuk semikonduktor memiliki tahanan jenis 10^-3Ωm – 3x10³Ωm. Contoh bahan–bahan untuk isolator, konduktor dan semikonduktor adalah sebagai berikut:

Isolator:

• Gelas / Kaca = 1010 Ωm
• Mika = 1011 Ωm
• PVC = 1013 Ωm
• Karet Murni 1012 Ωm s.d. 1014 Ωm

Konduktor :

• Aluminium 2,7×10^-8 Ωm
• Brass (70 Cu/30 Zn) 8 × 10^-8 Ωm
• Tembaga 1,7×10^-8 Ωm
• Baja 15 × 10^-8 Ωm

Semikonduktor :

• Silicon 2,3 × 10³ Ωm
• Germanium 0,45 Ωm

Pada bahan konduktor ketika suhu meningkat maka tahanan dari konduktor pun ikut meningkat, pada isolator perubahan suhu sangat kecil pengaruhnya sehingga sering diabaikan, sedangkan pada semikonduktor jika suhu meningkat maka tahanan-nya akan turun.

Dari uraian diatas nilai tahanan jenis isolator adalah yang tertinggi dari semua bahan, sehingga memiliki sifat yang kurang baik dalam menghantarkan arus listrik. Pada bahan konduktor nilai tahanan jenisnya adalah yang terendah sehingga sangat baik digunakan sebagai penghantar arus listrik.

Bahan semikonduktor memiliki nilai tahanan jenis yang berada diantara isolator dan konduktor, sehingga bahan semikonduktor memiliki dua sifat yang berbeda, semikonduktor bisa bersifat sebagai isolator dan bisa juga bersifat sebagai konduktor jika mendapat pengaruh dari luar, misalnya suhu. Bahan semikonduktor banyak digunakan pada komponen aktif elektronika, misalnya pada transistor atau FET.

Semikonduktor Tidak Murni

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa silicon dan germanium merupakan salah satu contoh dari bahan semikonduktor. Jika suhu kedua bahan ini meningkat diatas suhu kamar maka kedua bahan ini akan bersifat sebagai konduktor. Sedangkan jika suhu kedua bahan tersebut turun dibawah suhu kamar maka nilai tahanan-nya akan meningkat dan jika sudah mencapai titik maksimal maka kedua bahan ini akan bersifat sebagai isolator.

Semikonduktor murni memiliki jumlah proton dan elektron yang seimbang tetapi jika semikonduktor ini ditambahkan bahan yang tidak murni maka semikonduktor akan berubah menjadi tidak murni, proses ini dinamakan ”Doping”. Proses doping dengan menambahkan bahan antimony, arsenic, atau phosphorus yang memiliki kelebihan elektron pada semikonduktor murni, menyebabkan semikonduktor memiliki kelebihan elektron dan menjadikannya sebagai semikonduktor material tipe-N.

Pada proses doping, menambahkan bahan indium, aluminium, dan boron yang memiliki kelebihan proton pada semikonduktor murni menyebabkan semikonduktor memiliki kelebihan proton dan menjadikannya sebagai semikonduktor material tipe-P.

Hasil kedua doping inilah yang digunakan pada komponen–komponen elektronika seperti pada diode dan transistor. Diode merupakan penggabungan dua tipe material semikonduktor tipe-N dan tipe-P, sedangkan transistor merupakan penggabungan tiga material semikonduktor tipe-N, tipe-P, dan salah satu dari tipe-N atau tipe-P, sehingga pada transistor bipolar terdapat dua konfigurasi gabungan material semikonduktor yaitu P-N-P atau N-P-N.

Sumber Referensi

• Electrical and Electronic Principles and Technology, Third Edition, By John Bird, 2007.
• The ARRL Handbook For Radio Communications 2009.
• Lesson In Electric Circuits, Volume III – Semiconductors, By Tony R. Kuphaldt, Fifth Edition.

3. Semikonduktor adalah suatu material yang memiliki sifat konduktivitas listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktor murni atau biasa disebut semikonduktor intrinsic adalah material semikonduktor dimana tiap-tiap atomnya berikatan kovalen satu sama lain membentuk suatu struktur kristal yang biasa disebut lattice, semikonduktor intrinsic memiliki sifat yang mendekati sebuah material isolator, dimana, pita valensi dan pita konduksinya terpisahkan oleh gap energi yang kecil.
Untuk merubah jumlah pembawa muatan, semikonduktor intrinsic harus diberi pengotor atau impurities. Pengotor akan menciptakan sebuah tingkatan energi diantara pita valensi dan pita konduksi. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor dengan kelebihan muatan negative, pada silicon, penambahan atom dengan lima electron valensi (seperti phosphor) akan meciptakan tingkat energy baru dengan posisi sedikit di bawah pita konduksi yang dinamakan tingkatan donor.
Tambahan electron dari phosphor akan menempati tingkat energy baru ini dan dengan hanya sedikit saja jumlah energy akan menaikkan electron ini ke pita konduksi sehingga akan menambah jumlah pembawa muatan negative. Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor dengan dengan kelebihan pembawa muatan positif, pada silicon, penambahan atom dengan tiga electron valensi akan menciptakan tingkat enegi baru dengan posisi sedikit di atas pita valensi yang dinamakan tingkatan akseptor. Electron pada pita valensi akan berpindah ke tingkat energy ini sehingga menciptakan lubang atau hole pada pita valensi dan akan menambah jumlah pembawa muatan positif.
Jika semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan maka pada sembungan akan terjadi proses difusi akibat ketidak seimbangan muatan diantara kedua material semikonduktor, semua hole pada sambungan akan terisi oleh electron sehingga tidak ada lagi electron bebas. Difusi ini menyebabkan terbentuknya lapisan pengosongan atau deplesi, pada lapisan ini semikonduktor kembali pada sifat isolatornya. Jika ujung tipe-n disambungkan dengan kutub negative suatu tegangan dan tipe-p disambungkan dengan kutub positif tegangan, maka electron pada lapisan deplesi akan terdorong keluar dari hole dan kembali menjadi elekron bebas sedangkan hole yang ditinggalkannya akan terisi kembali oleh electron (terjadi rekombinasi) dari tipe-n begitu seterusnya.

Gbr. Rekombinasi electron hole dan emisi foton pada junction

Terjadinya rekombinasi berarti electron dari tingkat energy yang lebih tinggi “jatuh” ke tingkat energy yang lebih rendah atau biasa disebut dengan deeksitasi. Rekombinasi electron-hole ini bisa bersifat radiatif (mengemisikan foton) dan non-radiatif bergantung pada struktur pita dari semikonduktor. Ada dua kemungkinan struktur pita dari semikonduktor yaitu pita energy langsung (direct bandgap) dan pita energy tak langsung (indirect bandgap).
Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik.
GaAs adalah material semikonduktor dengan struktur pita energy langsung (direct bandgap), dimana, nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi bertemu pada satu harga momentum yang sama. Pada material ini electron bebas pada minimum pita konduksi dapat melakukan rekombinasi denganhole di maksimum pita valensi, karena momentum dari kedua “partikel” sama, maka, foton dapat diemisikan sebagai konsekuensi dari hokum konservasi energy.