PENDAHULUAN & DASAR SEMIKONDUKTOR
Pada modul ini akan
dibahas mengenai pendahuluan atau pengantar dasar elektronika dan dilanjutkan
dengan pembahasan mengenai dasar semikonduktor.
1. Pendahuluan
Elektronika
merupakan pengembangan dari ilmu listrik yang mempelajari teori tentang
gerakan-gerakan elektron dari komponen-komponen aktif serta penggunaannya. Ilmu
elektronika dikelompokkan menjadi dua cabang yang luas yaitu yang berhubungan
dengan aliran elektron dalam tabung hampa, gas atau benda padat disebut elektronika
fisika. Sedang yang berhubungan dengan perencanaan, pengembangan dan pemakaian
peralatan disebut teknik elektronika.
1.1 Perkembangan
Elektronika
Bidang elektronika
dimulai dengan penemuan oleh Hertz (1888) bahwa energi elektromagnetik dapat
dirambatkan dan dideteksi. Elektronika memasuki suatu masa evolusi yang cepat
dengan ditemukan dioda tabung oleh Fleming (1903), diikuti penemuan pendeteksi
kristal oleh Picard (1906) dan selanjutnya penemuan triode tabung oleh De
Forest (1907). Perkembangan selanjutnya dengan ditemukan komponen
semikonduktor
sebagai bahan dasar pembuatan komponen elektronika; dan pada tahun
1948 ditemukan
transistor oleh Bardeen dan Brattain selanjutnya oleh Shockly tahun 1949
dikembangkan teori junction transisitor dan berkembang terus sampai ke komponen
terpadu (IC = integrated Circuit) hingga sistem mekanik dalam chip
mikroelektronik (MEMS = Microelectromechanical
System). Elektronika telah maju dengan pesat dan digunakan secara luas di
berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi dan tidak dapat dipisahkan dari
kehidupan modern.
1.2 Tabung Elektron
Tabung elektron
merupakan komponen elektronika yang berbentuk tabung silinder yang di dalam
ruang hampa atau sebagian dihampakan terjadi penghantaran elektronis. Di dalam
tabung elektron terpasang elektroda-elektroda dan pemanas (heater).
Tabung elektron terdapat 2 macam yaitu :
- Tabung hampa yaitu tabung elektron yang di dalamnya tedapat
tekanan gas sangat rendah sehingga tak berpengaruh pada kerja tabung.
- Tabung gas yaitu tabung elektron yang di dalamnya terdapat gas
mulia seperti helium, neon,argon, krypton dan xenon untuk maksud-maksud
tertentu. Uap dari gas-gas tersebut mempengaruhi kerja tabung.
Tabung elektron
didapatkan dalam berbagai jenis dengan ditandai jumlah elektrodanya yaitu
dioda; trioda; tetroda; pentode; hexoda ; septoda dst. Konstruksi tabung
elektron dan simbolnya terlihat pada gambar berikut.
1.3 Pancaran /emisi
elektron
Emisi elektron
adalah peristiwa memancarnya elektron dari bahan emisi karena pengaruh dari
luar yang mampu mengalahkan rintangan permukaan bahan emisi. Emisi elektron
dapat terjadi akibat :
- Panas disebut emisi thermis
- Medan listrik disebut emisi kuat medan
- Sinar (foto) disebut emisi foto.
- Enersi elektron disebur emisi primer
- Pantulan elektron disebut emisi sekunder
Tabung elektron
bekerjanya berdasarkan emisi termis dan emisi kuat medan.
1.4 Bahan emisi
Oleh karena tabung
berkerja berdasarkan emisi thermis maka dibutuhkan bahan emisi yang mempunyai
daya tahan terhadap panas ( OK -1) . Bahan-bahan tersebut
adalah :
2. Dasar Semikonduktor
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.
Perbedaan sifat pada zat padat (misal: konduktor, isolator, semikonduktor
atau superkonduktor) disebabkan oleh: perbedaan gaya ikat diantara atom-atom,
ion-ion, atau molekul-molekul tersebut. Semua ikatan dalam bahan padat
melibatkan gaya listrik, dan perbedaan utama diantara ikatan tersebut
tergantung pada jumlah elektron terluar. 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.
Semikonduktor adalah sebuah
bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di
antara insulator
dan konduktor. Sebuah
semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada
temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.
Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon,
germanium,
dan gallium arsenide.
2.1 Pita Energi
Teori pita energi dapat
menerangkan sifat konduksi listrik suatu bahan.
Pita energi terdiri atas
dua jenis yaitu:
- Pita valensi (terisi penuh oleh 2N elektron di mana N adalah
jumlah atom suatu bahan)
- Pita konduksi (terisi sebagian elektron atau kosong)
Di antara pita
valensi dan pita konduksi terdapat celah energi yang layak tidak boleh terisi
elektron (Band Gap). Diagram pita
(band) energi elektron untuk bahan konduktor, semikonduktor dan isolator
seperti terlihat pada gambar 2. berikut ini.
Gambar 2 Pita Energi Bahan Konduktor, Semikonduktor dan Isolator
Besar level energi :
W = Q.V (elektron Volt / eV ) …………………………..….(1.1)
= (1,6 . 10 -19 coulomb). V
1. eV = 1,6 . 10 -19 joule
2.2. Bahan Dasar
Semikonduktor
Berdasarkan struktur partikel (atom, ion, atau molekul) penyusunnya,
bahan padat dibagi menjadi dua jenis yaitu bahan padat kristal dan bahan padat
amorf. Bahan padat kristal adalah bahan padat yang struktur partikel
penyusunnya memiliki keteraturan panjang dan berulang secara periodik. Bahan
padat amorf adalah bahan padat yang struktur partikel penyusunnya memiliki
keteraturan yang pendek.
Khusus untuk bahan semikonduktor ada dua jenis, yakni yang berstruktur
kristal (misal: Silikon, Germanium, Gallium Arsenid, dsb.) dan untuk
berstruktur amorf (misal: Amorphous silicon)). Dilihat dari bahan dasarnya semikonduktor dibedakan
menjadi 2 jenis, yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor
ekstrinsik (tidak murni).
2.2.1 Semikonduktor
Intrinsik (murni)
Silikon dan
germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik (gambar 3)
dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium
berbentuk tetrahedral (gambar 4) dengan setiap atom memakai bersama sebuah
elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.
Gambar 3 Tabel Periodik Unsur Kimia
Gambar 4 Struktur Kristal Silikon (Si)
a. Struktur kristal diamond b. Ikatan tetrahedron c. Ikatan tetrahedron 2
dimensi
Gambar 5
memperlihatkan bentuk ikatan kovalen silikon 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 5 Ikatan Kovalen Si dalam 2 Dimensi
Energi yang
diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk
silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300 OK),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron
bebas (gambar 6). Besarnya 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 elektron 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. 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 negatif
yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan
listrik.”
Gambar 6 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen
yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya
elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi
Akibat adanya dua
pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
e = se ................................................. (1.2)
dimana: n dan
p = konnsentrasi
elektron dan lubang (m-3)
µn dan µp = mobilitas elektron dan lubang
(m2 V-1 s-1)
= konduktivitas (S
cm-1)
Karena timbulnya
lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni,
jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan sebagai : n =
p = ni .............................................................(1.3)
dimana n i
disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan germanium
diperlihatkan pada tabel 1.
Tabel 1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300OK
2.2.2 Semikonduktor
Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat
memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam
tabel periodik
(memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar
7). Elemen
semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan
pada tabel 2.
Tabel 2 Elemen semikonduktor pada tabel periodik
2.2.2.1
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n
dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
pentavalen
(antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor
(dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan
sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam
kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap,
dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 7).
Dengan adanya
energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas
dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan
dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan
pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik
semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 7.
Gambar 7 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
lima
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor
2.2.2.2
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang
sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium,
boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara
efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen
menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan (lihat gambar 8) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses
pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa
muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).
Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkaMODUL 1
PENDAHULUAN & DASAR SEMIKONDUKTOR
Pada modul ini akan
dibahas mengenai pendahuluan atau pengantar dasar elektronika dan dilanjutkan
dengan pembahasan mengenai dasar semikonduktor.
1. Pendahuluan
Elektronika
merupakan pengembangan dari ilmu listrik yang mempelajari teori tentang
gerakan-gerakan elektron dari komponen-komponen aktif serta penggunaannya. Ilmu
elektronika dikelompokkan menjadi dua cabang yang luas yaitu yang berhubungan
dengan aliran elektron dalam tabung hampa, gas atau benda padat disebut elektronika
fisika. Sedang yang berhubungan dengan perencanaan, pengembangan dan pemakaian
peralatan disebut teknik elektronika.
1.1 Perkembangan
Elektronika
Bidang elektronika
dimulai dengan penemuan oleh Hertz (1888) bahwa energi elektromagnetik dapat
dirambatkan dan dideteksi. Elektronika memasuki suatu masa evolusi yang cepat
dengan ditemukan dioda tabung oleh Fleming (1903), diikuti penemuan pendeteksi
kristal oleh Picard (1906) dan selanjutnya penemuan triode tabung oleh De
Forest (1907). Perkembangan selanjutnya dengan ditemukan komponen
semikonduktor
sebagai bahan dasar pembuatan komponen elektronika; dan pada tahun
1948 ditemukan
transistor oleh Bardeen dan Brattain selanjutnya oleh Shockly tahun 1949
dikembangkan teori junction transisitor dan berkembang terus sampai ke komponen
terpadu (IC = integrated Circuit) hingga sistem mekanik dalam chip
mikroelektronik (MEMS = Microelectromechanical
System). Elektronika telah maju dengan pesat dan digunakan secara luas di
berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi dan tidak dapat dipisahkan dari
kehidupan modern.
1.2 Tabung Elektron
Tabung elektron
merupakan komponen elektronika yang berbentuk tabung silinder yang di dalam
ruang hampa atau sebagian dihampakan terjadi penghantaran elektronis. Di dalam
tabung elektron terpasang elektroda-elektroda dan pemanas (heater).
Tabung elektron terdapat 2 macam yaitu :
- Tabung hampa yaitu tabung elektron yang di dalamnya tedapat
tekanan gas sangat rendah sehingga tak berpengaruh pada kerja tabung.
- Tabung gas yaitu tabung elektron yang di dalamnya terdapat gas
mulia seperti helium, neon,argon, krypton dan xenon untuk maksud-maksud
tertentu. Uap dari gas-gas tersebut mempengaruhi kerja tabung.
Tabung elektron
didapatkan dalam berbagai jenis dengan ditandai jumlah elektrodanya yaitu
dioda; trioda; tetroda; pentode; hexoda ; septoda dst. Konstruksi tabung
elektron dan simbolnya terlihat pada gambar berikut.
1.3 Pancaran /emisi
elektron
Emisi elektron
adalah peristiwa memancarnya elektron dari bahan emisi karena pengaruh dari
luar yang mampu mengalahkan rintangan permukaan bahan emisi. Emisi elektron
dapat terjadi akibat :
- Panas disebut emisi thermis
- Medan listrik disebut emisi kuat medan
- Sinar (foto) disebut emisi foto.
- Enersi elektron disebur emisi primer
- Pantulan elektron disebut emisi sekunder
Tabung elektron
bekerjanya berdasarkan emisi termis dan emisi kuat medan.
1.4 Bahan emisi
Oleh karena tabung
berkerja berdasarkan emisi thermis maka dibutuhkan bahan emisi yang mempunyai
daya tahan terhadap panas ( OK -1) . Bahan-bahan tersebut
adalah :
2. Dasar Semikonduktor
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.
Perbedaan sifat pada zat padat (misal: konduktor, isolator, semikonduktor
atau superkonduktor) disebabkan oleh: perbedaan gaya ikat diantara atom-atom,
ion-ion, atau molekul-molekul tersebut. Semua ikatan dalam bahan padat
melibatkan gaya listrik, dan perbedaan utama diantara ikatan tersebut
tergantung pada jumlah elektron terluar. 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.
Semikonduktor adalah sebuah
bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di
antara insulator
dan konduktor. Sebuah
semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada
temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.
Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon,
germanium,
dan gallium arsenide.
2.1 Pita Energi
Teori pita energi dapat
menerangkan sifat konduksi listrik suatu bahan.
Pita energi terdiri atas
dua jenis yaitu:
- Pita valensi (terisi penuh oleh 2N elektron di mana N adalah
jumlah atom suatu bahan)
- Pita konduksi (terisi sebagian elektron atau kosong)
Di antara pita
valensi dan pita konduksi terdapat celah energi yang layak tidak boleh terisi
elektron (Band Gap). Diagram pita
(band) energi elektron untuk bahan konduktor, semikonduktor dan isolator
seperti terlihat pada gambar 2. berikut ini.
Gambar 2 Pita Energi Bahan Konduktor, Semikonduktor dan Isolator
Besar level energi :
W = Q.V (elektron Volt / eV ) …………………………..….(1.1)
= (1,6 . 10 -19 coulomb). V
1. eV = 1,6 . 10 -19 joule
2.2. Bahan Dasar
Semikonduktor
Berdasarkan struktur partikel (atom, ion, atau molekul) penyusunnya,
bahan padat dibagi menjadi dua jenis yaitu bahan padat kristal dan bahan padat
amorf. Bahan padat kristal adalah bahan padat yang struktur partikel
penyusunnya memiliki keteraturan panjang dan berulang secara periodik. Bahan
padat amorf adalah bahan padat yang struktur partikel penyusunnya memiliki
keteraturan yang pendek.
Khusus untuk bahan semikonduktor ada dua jenis, yakni yang berstruktur
kristal (misal: Silikon, Germanium, Gallium Arsenid, dsb.) dan untuk
berstruktur amorf (misal: Amorphous silicon)). Dilihat dari bahan dasarnya semikonduktor dibedakan
menjadi 2 jenis, yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor
ekstrinsik (tidak murni).
2.2.1 Semikonduktor
Intrinsik (murni)
Silikon dan
germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik (gambar 3)
dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium
berbentuk tetrahedral (gambar 4) dengan setiap atom memakai bersama sebuah
elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.
Gambar 3 Tabel Periodik Unsur Kimia
Gambar 4 Struktur Kristal Silikon (Si)
a. Struktur kristal diamond b. Ikatan tetrahedron c. Ikatan tetrahedron 2
dimensi
Gambar 5
memperlihatkan bentuk ikatan kovalen silikon 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 5 Ikatan Kovalen Si dalam 2 Dimensi
Energi yang
diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk
silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300 OK),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron
bebas (gambar 6). Besarnya 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 elektron 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. 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 negatif
yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan
listrik.”
Gambar 6 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen
yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya
elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi
Akibat adanya dua
pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
e = se ................................................. (1.2)
dimana: n dan
p = konnsentrasi
elektron dan lubang (m-3)
µn dan µp = mobilitas elektron dan lubang
(m2 V-1 s-1)
= konduktivitas (S
cm-1)
Karena timbulnya
lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni,
jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan sebagai : n =
p = ni .............................................................(1.3)
dimana n i
disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan germanium
diperlihatkan pada tabel 1.
Tabel 1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300OK
2.2.2 Semikonduktor
Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat
memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam
tabel periodik
(memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar
7). Elemen
semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan
pada tabel 2.
Tabel 2 Elemen semikonduktor pada tabel periodik
2.2.2.1
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n
dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
pentavalen
(antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor
(dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan
sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam
kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap,
dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 7).
Dengan adanya
energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas
dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan
dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan
pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik
semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 7.
Gambar 7 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
lima
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor
2.2.2.2
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang
sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium,
boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara
efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen
menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan (lihat gambar 8) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses
pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa
muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).
Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada
gambar 8.
MODUL 1
PENDAHULUAN & DASAR SEMIKONDUKTOR
Pada modul ini akan
dibahas mengenai pendahuluan atau pengantar dasar elektronika dan dilanjutkan
dengan pembahasan mengenai dasar semikonduktor.
1. Pendahuluan
Elektronika
merupakan pengembangan dari ilmu listrik yang mempelajari teori tentang
gerakan-gerakan elektron dari komponen-komponen aktif serta penggunaannya. Ilmu
elektronika dikelompokkan menjadi dua cabang yang luas yaitu yang berhubungan
dengan aliran elektron dalam tabung hampa, gas atau benda padat disebut elektronika
fisika. Sedang yang berhubungan dengan perencanaan, pengembangan dan pemakaian
peralatan disebut teknik elektronika.
1.1 Perkembangan
Elektronika
Bidang elektronika
dimulai dengan penemuan oleh Hertz (1888) bahwa energi elektromagnetik dapat
dirambatkan dan dideteksi. Elektronika memasuki suatu masa evolusi yang cepat
dengan ditemukan dioda tabung oleh Fleming (1903), diikuti penemuan pendeteksi
kristal oleh Picard (1906) dan selanjutnya penemuan triode tabung oleh De
Forest (1907). Perkembangan selanjutnya dengan ditemukan komponen
semikonduktor
sebagai bahan dasar pembuatan komponen elektronika; dan pada tahun
1948 ditemukan
transistor oleh Bardeen dan Brattain selanjutnya oleh Shockly tahun 1949
dikembangkan teori junction transisitor dan berkembang terus sampai ke komponen
terpadu (IC = integrated Circuit) hingga sistem mekanik dalam chip
mikroelektronik (MEMS = Microelectromechanical
System). Elektronika telah maju dengan pesat dan digunakan secara luas di
berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi dan tidak dapat dipisahkan dari
kehidupan modern.
1.2 Tabung Elektron
Tabung elektron
merupakan komponen elektronika yang berbentuk tabung silinder yang di dalam
ruang hampa atau sebagian dihampakan terjadi penghantaran elektronis. Di dalam
tabung elektron terpasang elektroda-elektroda dan pemanas (heater).
Tabung elektron terdapat 2 macam yaitu :
- Tabung hampa yaitu tabung elektron yang di dalamnya tedapat
tekanan gas sangat rendah sehingga tak berpengaruh pada kerja tabung.
- Tabung gas yaitu tabung elektron yang di dalamnya terdapat gas
mulia seperti helium, neon,argon, krypton dan xenon untuk maksud-maksud
tertentu. Uap dari gas-gas tersebut mempengaruhi kerja tabung.
Tabung elektron
didapatkan dalam berbagai jenis dengan ditandai jumlah elektrodanya yaitu
dioda; trioda; tetroda; pentode; hexoda ; septoda dst. Konstruksi tabung
elektron dan simbolnya terlihat pada gambar berikut.
1.3 Pancaran /emisi
elektron
Emisi elektron
adalah peristiwa memancarnya elektron dari bahan emisi karena pengaruh dari
luar yang mampu mengalahkan rintangan permukaan bahan emisi. Emisi elektron
dapat terjadi akibat :
- Panas disebut emisi thermis
- Medan listrik disebut emisi kuat medan
- Sinar (foto) disebut emisi foto.
- Enersi elektron disebur emisi primer
- Pantulan elektron disebut emisi sekunder
Tabung elektron
bekerjanya berdasarkan emisi termis dan emisi kuat medan.
1.4 Bahan emisi
Oleh karena tabung
berkerja berdasarkan emisi thermis maka dibutuhkan bahan emisi yang mempunyai
daya tahan terhadap panas ( OK -1) . Bahan-bahan tersebut
adalah :
2. Dasar Semikonduktor
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.
Perbedaan sifat pada zat padat (misal: konduktor, isolator, semikonduktor
atau superkonduktor) disebabkan oleh: perbedaan gaya ikat diantara atom-atom,
ion-ion, atau molekul-molekul tersebut. Semua ikatan dalam bahan padat
melibatkan gaya listrik, dan perbedaan utama diantara ikatan tersebut
tergantung pada jumlah elektron terluar. 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.
Semikonduktor adalah sebuah
bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di
antara insulator
dan konduktor. Sebuah
semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada
temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.
Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon,
germanium,
dan gallium arsenide.
2.1 Pita Energi
Teori pita energi dapat
menerangkan sifat konduksi listrik suatu bahan.
Pita energi terdiri atas
dua jenis yaitu:
- Pita valensi (terisi penuh oleh 2N elektron di mana N adalah
jumlah atom suatu bahan)
- Pita konduksi (terisi sebagian elektron atau kosong)
Di antara pita
valensi dan pita konduksi terdapat celah energi yang layak tidak boleh terisi
elektron (Band Gap). Diagram pita
(band) energi elektron untuk bahan konduktor, semikonduktor dan isolator
seperti terlihat pada gambar 2. berikut ini.
Gambar 2 Pita Energi Bahan Konduktor, Semikonduktor dan Isolator
Besar level energi :
W = Q.V (elektron Volt / eV ) …………………………..….(1.1)
= (1,6 . 10 -19 coulomb). V
1. eV = 1,6 . 10 -19 joule
2.2. Bahan Dasar
Semikonduktor
Berdasarkan struktur partikel (atom, ion, atau molekul) penyusunnya,
bahan padat dibagi menjadi dua jenis yaitu bahan padat kristal dan bahan padat
amorf. Bahan padat kristal adalah bahan padat yang struktur partikel
penyusunnya memiliki keteraturan panjang dan berulang secara periodik. Bahan
padat amorf adalah bahan padat yang struktur partikel penyusunnya memiliki
keteraturan yang pendek.
Khusus untuk bahan semikonduktor ada dua jenis, yakni yang berstruktur
kristal (misal: Silikon, Germanium, Gallium Arsenid, dsb.) dan untuk
berstruktur amorf (misal: Amorphous silicon)). Dilihat dari bahan dasarnya semikonduktor dibedakan
menjadi 2 jenis, yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor
ekstrinsik (tidak murni).
2.2.1 Semikonduktor
Intrinsik (murni)
Silikon dan
germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik (gambar 3)
dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium
berbentuk tetrahedral (gambar 4) dengan setiap atom memakai bersama sebuah
elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.
Gambar 3 Tabel Periodik Unsur Kimia
Gambar 4 Struktur Kristal Silikon (Si)
a. Struktur kristal diamond b. Ikatan tetrahedron c. Ikatan tetrahedron 2
dimensi
Gambar 5
memperlihatkan bentuk ikatan kovalen silikon 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 5 Ikatan Kovalen Si dalam 2 Dimensi
Energi yang
diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk
silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300 OK),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron
bebas (gambar 6). Besarnya 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 elektron 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. 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 negatif
yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan
listrik.”
Gambar 6 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen
yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya
elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi
Akibat adanya dua
pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
e = se ................................................. (1.2)
dimana: n dan
p = konnsentrasi
elektron dan lubang (m-3)
µn dan µp = mobilitas elektron dan lubang
(m2 V-1 s-1)
= konduktivitas (S
cm-1)
Karena timbulnya
lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni,
jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan sebagai : n =
p = ni .............................................................(1.3)
dimana n i
disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan germanium
diperlihatkan pada tabel 1.
Tabel 1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300OK
2.2.2 Semikonduktor
Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat
memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam
tabel periodik
(memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar
7). Elemen
semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan
pada tabel 2.
Tabel 2 Elemen semikonduktor pada tabel periodik
2.2.2.1
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n
dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
pentavalen
(antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor
(dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan
sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam
kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap,
dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 7).
Dengan adanya
energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas
dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan
dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan
pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik
semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 7.
Gambar 7 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
lima
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor
2.2.2.2
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang
sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium,
boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara
efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen
menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan (lihat gambar 8) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses
pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa
muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima
elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).
Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada
gambar 8.
Gambar 8 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
tiga
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.
Gambar 8 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
tiga
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.
n seperti terlihat pada
gambar 8.
Gambar 8 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi
tiga
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar