Teori Semikonduktor

Secara umum semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak an- tara sifat-sifat konduktor dan isolator. Operasi semua komponen benda padat seperti dioda, LED, Transistor Bipolar dan FET serta Op-Amp atau rangkaian terpadu lainnya (solid state) didasarkan atas sifat-sifat semikon- duktor. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi pada semikon- duktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif.

Struktur Atom Silikon dan Germanium

Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elek- tron. Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti. Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan, silikon dan germanium, terlihat pada gambar 1.1.

Seperti ditunjukkan pada gambar 1.1 atom silikon mempunyai elektron yang mengor- bit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602 pangkat -19 C dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602 pangkat -19 C.

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi. Atom sili- kon dan germanium masing-masing mempunyai empat elektron valensi. Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi em- pat). Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang berse- belahan. Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi guna memudahkan pembahasan. Lihat gambar 1.2.

Struktur kristal silikon denganan kovalen ikatan kovalen

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 10 pangkat 10 elektron bebas dalam 1 cm3 kubik bahan silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 10 pangkat 13 elektron bebas pada germanium. Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.

Setiap elektron yang menempati suatu orbit tertentu dalam struktur atom tunggal (atau terisolasi) akan mempunyai level energi tertentu. Semakin jauh posisi orbit suatu elektron, maka semakin besar level energinya. Oleh karena itu elektron yang menduduki posisi orbit terluar dalam suatu struktur atom atau yang disebut dengan elektron valensi, akan mempunyai level energi terbesar. Sebaliknya elektron yang paling dekat dengan inti mempunyai level energi terkecil. Level energi dari atom tunggal dapat dilihat pada gambar 1.3.

Level Energi dari atom tunggal

  Di antara level energi individual yang dimiliki elektron pada orbit tertentu terdapat celah energi yang mana tidak dimungkinkan adanya elektron mengorbit.  Oleh karena itu celah ini disebut juga dengan daerah terlarang.  Suatu elektron tidak dapat mengorbit pada daerah terlarang, tetapi bisa melewatinya dengan cepat.  Misalnya bila suatu elektron pada orbit tertentu mendapatkan energi tambahan dari luar (seperti energi panas), sehingga level energi elektron tersebut bertambah besar, maka elektron akan meloncat ke orbit berikutnya yang lebih luar yakni dengan cepat melewati daerah terlarang.
Hal ini berlaku juga sebaliknya, yaitu apabila suatu elektron dipaksa kembali ke orbit yang lebih dalam, maka elektron akan mengeluarkan energi.  Dengan kata lain, elektron yang berpindah ke orbit lebih luar akan membutuhkan energi, sedangkan bila berpindah ke orbit lebih dalam akan mengeluarkan energi.
Besarnya energi dari suatu elektron dinyatakan dengan satuan elektron volt (eV).  Hal ini disebabkan karena definisi energi merupakan persamaan:

Persamaan Energi

 Dengan potensial listrik sebesar 1 V dan muatan elektron sebesar  1.602 pangkat -19 C, maka energi dari
sebuah elektron dapat dicari:

Hasil tersebut menunjukkan bahwa untuk memindahkan sebuah elektron melalui beda potensial sebesar 1 V diperlukan energi sebesar 1.602 pangkat -19 J.   Atau dengan kata lain:

 

 Bila atom-atom tunggal dalam suatu bahan saling berdekatan (dalam kenyatannya memang mesti demikian) sehingga membentuk suatu kisi-kisi kristal, maka atom-atom akan berinteraksi dengan mempunyai ikatan kovalen.  Karena setiap elektron valensi level energinya tidak tepat sama, maka level energi jutaan elektron valensi dari suatu bahan akan membentuk range energi atau yang disebut dengan pita energi valensi atau pita valensi.  Gambar 1.4 menunjukkan diagram pita energi dari bahan isolator, semikonduktor dan konduktor.  Suatu energi bila diberikan kepada elektron valensi, maka elektron tersebut akan meloncat keluar.  Oleh karena elektron valensi terletak pada orbit terluar dari struktur atom, maka elektron tersebut akan meloncat ke daerah pita konduksi.  Pita konduksi merupakan level energi dimana elektron terlepas dari ikatan inti atom atau menjadi elektron bebas.  Jarak energi antara pita valensi dan pita konduksi disebut dengan pita celah atau daerah terlarang.

Seberapa besar perbedaan energi, Eg, (jarak energi) antara pita valensi dan pita konduksi pada suatu bahan
akan menentukan apakah bahan tersebut termasuk isolator, semikonduktor atau konduktor. Eg adalah energi
yang diperlukan oleh elektron valensi untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.  Eg dinyatakan dalam satuan eV (elektron volt).  Semakin besar Eg, semakin besar energi yang dibutuhkan elektron valensi untuk berpindah ke pita konduksi.   

Pada bahan-bahan isolator jarak antara pita valensi dan pita konduksi (daerah terlarang) sangat jauh. Pada suhu ruang hanya ada sedikit sekali (atau tidak ada) elektron valensi  yang sampai keluar ke pita konduksi.  Sehingga pada bahan-bahan ini tidak dimungkinkan terjadinya aliran arus listrik.  Diperlukan Eg paling tidak 5 eV untuk mengeluarkan elektron valensi ke pita konduksi.  
 

gambar 1.4 Diagram pita energi (a) isolator;(b) semikonduktor dan (c) konduktor 

 Pada bahan semikonduktor lebar daerah terlarang relatif kecil.  Pada suhu mutlak 0 derajat Kelvin, tidak ada elektron valensi yang keluar ke pita konduksi, sehingga pada suhu ini bahan semikonduktor merupakan isolator yang baik.  Namun pada suhu ruang, energi panas mampu memindahkan sebagian elektron valensi ke pita konduksi (menjadi elektron bebas).  Pada bahan silikon dan germanium masing-masing Eg-nya adalah 1.1 eV dan 0.67 eV.
Tempat yang ditinggalkan elektron valensi ini disebut dengan hole.  Pada gambar 1.4 dilukiskan dengan lingkaran kosong.  Meskipun hole ini secara fisik adalah kosong, namun secara listrik bermuatan positip, karena ditinggalkan oleh elektron yang bermuatan negatip. Level energi suatu hole adalah terletak pada pita valensi, yaitu tempat asalnya elektron valensi. Apabila ada elektron valensi berpindah dan menempati suatu hole dari atom sebelahnya,maka hole menjadi tersisi dan tempat dari elektron yang berpindah tersebut menjadi kosong atau hole.  Dengan demikian arah gerakan hole (seolah-olah) berlawanan dengan arah gerakan elektron.
Sedangkan pada bahan konduktor pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih. Elektron-elektron valensi sekaligus menempati pada pita konduksi. Oleh karena itu pada  bahan konduktor meskipun pada suhu 0 derajat K, cukup banyak elektron valensi yang berada di pita konduksi (elektron bebas).

 Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
        tice-Hall, Inc.