Bahan Semikonduktor #02

Insulator, Semikonduktor, dan Konduktor Seperti terlihat pada gambar energy band, insulator mempunyai forbidden gap yang lebar, semikonduktor mempunyai forbidden gap yang sempit, dan konduktor sama sekali tidak mempunyai forbidden gap.


Dalam hal insulator, praktis tidak ada elektron di conduction band dari energy level, dan valence band terisi. Juga, forbidden gap-nya sedemikan lebar sehingga memerlukan energi yang sangat besar (hampir 6 eV) agar sebuah elektron dapat menyeberang dari valence band ke conduction band. Karena itu, jika suatu tegangan dipasang pada sebuah insulator, tidak terjadi konduksi baik oleh gerakan elektron atau oleh pemindahan/transfer hole.

Untuk semikonduktor pada suhu absolut 0^oK (-273,15^oC) valence band biasanya penuh, dan tidak ada elektron pada conduction band. Tapi, forbidden gap dalam sebuah semikonduktor jauh lebih sempit dari pada yang di insulator, dengan pemberian sedikit energi (1,2 eV untuk silikonn dan 0,785 eV untuk germanium) dapat memindahkan elektron-elektron dari valence band ke conduction band. Jika berada pada suhu kamar, semikonduktor mendapat cukup energi termal untuk memindah elektron itu. Bila suatu potensial diberikan pada semikonduktor, terjadi konduksi baik oleh karena gerakan elektron di conduction band maupun oleh karena pemindahan hole di valence band.

Dalam hal konduktor tidak ada forbidden gap, dan valence dan conduction energy band tumpang tindih (overlap). Karena itu, sangat banyak elektron tersedia untuk menimbulkan konduksi, sekalipun pada suhu yang sangat rendah.

Semikonduktor Jenis-p dan Jenis-n 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.

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.

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.

Pada 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.

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.

Pengaruh Panas dan Cahaya Bila sebuah konduktor dipanasi, atom-atom (yang berada di lokasi tetap) cenderung bergetar, dan getaran menimbulkan gerakan massa elektron di sekitarnya. Ini berarti bahwa ada pengurangan pada aliran elektron yang membangun arus listrik, dan bahwa resistansi konduktor telah meningkat. Suatu konduktor mempunyai suatu positive temperature coefficient (koefisien suhu positip) dari resistansi, yaitu resistansi bertambah besar bila suhunya naik.

Bila bahan konduktor yang belum di-doping pada suhu absolut 0^oK (-273^oC), praktis tidak ada elektron bebas di conduction band dan tidak ada hole di valence band. Hal ini karena semua elektron berada di orbit normal sekitar atom-atom. Jadi, pada suhu absolut 0^oK, sebuah konduktor berperilaku seperti insulator. Bila bahan itu dipanasi, elektron-elektron melepaskan diri dati atom-atomnya dan bergerak dari valence band ke conduction band. Hal ini menimbulkan hole di valence band dan elektron-elektron bebas di conuction band. Kemudian terjadi konduksi dengan adanya gerakan elektron dan dengan adanya pemindahan hole. Semakin besar pemberian energi termal menimbulkan semakin banyak pasangan hole-elektron. Seperti halnya pada kondukttor, atom-atom semikonduktor juga mengalami getaran termal. Tapi, ada sangat sedikit elektron yang timbul dibandingkan dengan kerapatan massa elektron dalam konduktor. Timbulnya elektron secara termal merupakan faktor dominan, dan arus bertambah besar dengan naiknya suhu. Hal ini meenunjukkan penurunan resistansi semikonduktor dengan kenaikan suhu, yaitu koefisien suhu negatip. Perkecualian dari aturan ini adalah heavily doped semicnductor material (bahan semikonduktor yang di-doping berat), yang lebih bersifat seperti konduktor dari pada semikonduktor.

Sepert halnya energi termal yang menyebabkan elektron-elektron memisahkan diri dari ikatan atomnya, juga pasangan-pasangan hole-elektron dapat ditimbulkan oleh energi yang dipancarkan pada semikonduktor dalam bentuk cahaya. Jika bahan semikonduktor intrinsik, mempunyai sedikit elektron bebas bila tidak disinari, jadi suatu very high dark resistance. Bila disinari, resistansinya turun dan menjaadi dapat dibandingkan dengan konduktor. (bersambung)

TERKAIT

• Teori Atom
  
• PN Junction
  
• Superkonduktor
  
• Partikel Tuhan