PENGGOLONGAN SEMIKONDUKTOR
 |
| Gambar Peta konsep penggolongan semikonduktor |
WANIBESAKc - Silikon merupakan unsur dengan waarna abu-abu
mengkilat yang paling banyak digunakan sebagai bahan dasar dalam pembuatan
semikonduktor. Hal ini tidak terlepas dari sifat silikon yang keras dengan
titik lebur yang tinggi yakni sekitar 1.410 °C. Silikon yang digunakan untuk
pembuatan semikonduktor adalah silikon dengan kemurnian yang tinggi, dengan pengotor
tidak boleh lebih dari 10-8%.
Silikon dengan kemurnian tinggi biasanya
digunakan pada chip peralatan elektronik di bidang mileter seperti chip pada
peluru kendali, radar, dan pesawat tempur, sedangkan lempengan yang paling
tidak murni digunakan untuk membuat chip pada peralatan elektronik dengan
kualitas yang rendah.
SEMIKONDUKTOR INTRINSIK
Semikonduktor intrinsik dibagi menjadi:
- Semikonduktor intrinsik unsur, misalnya Si dan
Ge.
- Semikonduktor intrinsik senyawa, misalnya GaAs
atau CdS.
Pada 0 K semikonduktor intrinsik memiliki pita
valensi seperti pada gambar. Elektron-elektron pada pita valensi yang terisi
penuh dianggap tidak bergerak bebas pada 0 K sehingga diangap tidak dapat
menghantarkan arus listrik.
Kanaikan temperatur akan meningkatkan energi
termal elektron-elektron pada pita valensi. Pada temperatur ruang sebagian
kecil elektron-elektron pada pita valensi memiliki energi termal yang harganya
relatif lebih besar dari energi ambang. Akibatnya elektron-elektron tersebut
dapat berpindah (tereksitasi) secara termal ke pita konduksi seperti pada
gambar berikut.
Akibat adanya eksitasi termal tersebut pita
konduksi terisi sejumlah kecil elektron, sedangkan pada pita valensi akan
terbentuk sejumlah kecil tempat kosong yang disebut dengan lubang (hole) yang
bermuatan positif. Jumlah hole yang terbentuk adalah sama dengan jumlah
elektron yang tereksitasi. Ketika diberi potensial: adanya sedikit tempat
kosong pada pita valensi memungkinkan elektron-elektron pada pita valensi untuk
bergerak meskipun tidak sebebas gerakan elektron-elektron pada pita konduksi.
Dapat bergeraknya elektron pada pita konduksi dan pita valensi memungkinkan
semikonduktor menghantarkan arus listrik pada temperatur ruang.
Jumlah elektron pada pita konduksi walaupun dapat
bergerak bebas tetapi jumlahnya sangat sedikit akibatnya daya hantar listrik
semikonduktor intrinsik selalu lebih rendah dibanding daya hantar listrik
logam. Semikonduktor intrinsik atau semikonduktor tipe-i merupakan
semikonduktor murni dimana pada kondisi kesetimbangan termal kerapatan atau
jumlah lubang (hole) pada pita valensi dan kerapatan atau jumlah elwktron pada
pita konduksi adalah sama.
Pada waktu terjadi hantaran listrik pada
semikonduktor dapat dianggap terjadi migrasi elektron menuju kutub positif dan
migrasi hole menuju kutub negatif. Dapatnya elektron tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi akibat naiknya energi termal elektron-elektron
memungkinkan digunakan semikonduktor untuk membuat termistor (thermistor = temperature sensitive resistor).
Eksitasi elektron dari pita valensi ke pita
konduksi disebabkan pula oleh energi foton dari sinar yang mengenai permukaan
semikonduktor. Dapatnya elektron-elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita
konduksi akibat energi foton yang mengenai permukaan semikonduktor memungkinkan
semikonduktor digunakan untuk membuat foto sel (photo cell) misalnya fotosel CdS.
Karena temperatur dapat menambah jumlah elektron
yang tereksitasi dari pita vaensi ke pita konduksi sehingga daya hantar listrik
semikonduktor bertambah besar. Banyaknya elektron yang tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi dapat diperkirakan berdasarkan distribusi Boltzmann.
Meskipun kenaikan temperatur dapat meningkatkan
daya hantar listrik semikonduktor, akan tetapi hal ini hanya berlaku pada
daerah kerja semikonduktor. Semikonduktor silikon memiliki temperatur kerja di
bawah 150 °C. Diatas 150 °C kenaikan temperatur tidak menaikan daya hantar
listrik semikonduktor karena pada temperatur tersebut akan merusak kristal
sehingga fungsinya sebagai semikonduktor menjadi hilang.
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK
Semikonduktor ekstrinsik dibuar dengan memberikan
pengotor (dopant) dalam jumlah kecil (dalam ppm) pada semikonduktor intrinsik
unsur. Dikenal 2 macam semikonduktor intrinsik yaitu:
- Semikondultor tipe-p
- Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor Tipe-p
Semikonduktor tipe-p dibuat dengan memberikan
pengotor berupa unsur-unsur dari golongan 13 seperti boron (B) atau galium (Ga)
pada semikonduktor intrinsik Si atau Ge.
Sebelum penambahan pengotor diagram semikonduktor
Si seperti pada gambar di atas. pengotor B yang ditambahkan memiliki beberapa
pita energi, salah satu diantaranya terletak sedikit diatas pita valensi
semikonduktor Si. Pita energi tersebut belum sepenuhnya terisi elektron
sehingga memungkinkan untuk tereksitasinya sejumlah elektron dari pita valensi
Si ke pita pengotor sehingga menambah jumlah hole yang terdapat pada pita
valensi semikonduktor Si seperti ditunjukan pada gambar.
Adanya tambahan jumlah hole pada pita valensi Si
menyebabkan elektron-elektron pada pita tersebut semakin mudah bergerak
dibandingkan sebelum penambahan pengotor. Akibatnya daya hantar listrik
semikonduktor tipe-p lebih besar dibanding daya hantar listrik semikonduktor Si
mula-mula. Adanya pengotor 10 atom B dalam 100000 atam Si akan meningkatkan
daya hantar semikonduktor dengan kelipatan 1000 kali.
Semikonduktor yang diperoleh dari penambahan
unsur-unsur 13 seperti boron dan galium pada seperti semikonduktor intrinsik Si
atau Ge disebut semikonduktor tipe-p (positif) karena adanya pengotor B atau Ga
menyebabkan bertambahnya jumlah hole yang bermuatan positif pada pita valensi
Si. Semikonduktor ini disebut juga semikonduktor akseptor karena pengotor yang
ditambahkan menerima elektron-elektron dari pita valensi semikonduktor
intrinsik aslinya.
Pada waktu semikonduktor didoping dengan galium,
beberapa atom silikon pada kisi kristalnya akan diganti dengan atom-atom
galium. Seperti yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya bahwa hole
terbentuk bila elektron pada pita valensi mengalami perpindahan atau ekesitasi
ke pita pengotor boron.
Apabila semikonduktor tipe-p diberi beda
potensial (diberi arus listrik) maka dapat dianggap terjadi aliran hole yang
bermuatan positif. Berpindahnya hole dari satu posisi ke posisi yang lain
menyebabkan terjadinya hantaran arus listrik pada semikonduktor tipe-p.
Semikonduktor tipe-p dapat juga diperoleh dari
semikonduktor intrinsik senyawa yang memiliki keelktronegatifan lebih rendah
jumlahnya dibuat lebih banyak dibandingkan jumlah atom penyusun senyawa yang
memiliki keeltronegatifan lebih tinggi. Galium arsenida (GaAs) merupakan
semikonduktor senyawa dengan keelektronegatifan atom Ga < As. Apabila jumlah
atom Ga dibuat lebih banyak maka diperoleh GaAs(1-x) (x<<1) yang
merupakan semikonduktor tipe-p.
Semikonduktor GaAs memiliki kemampuan merespon
signal lebih cepat dibanding dibanding semikonduktor dengan bahan dasar
silikon. GaAs memiliki kemampuan frekuensi memperkuat signal dengan frekuensi
sampai 100 GHz. Untuk frekuensi yang lebih tinggi dapat digunakan semikonduktor
indium fosfida (InP).
Pada saat ini frekuensi di atas 50 GHz adalah
jarang digunakan untuk kepentingan komersial. Oleh karena itu peralatan
elektronik di dunia cenderung menggunakan semikonduktor dengan bahan dasar
silikon. Sejumlah kecil saja peralatan elektronik di dunia yang menggunakan
semikonduktor GaAs. Penyebabnya, semikonduktor GaAs adalah lebih mahal
dibandingkan semikonduktor dengan bahan dasar silikon, baik ditinjau dari harga
bahan dasarnya maupun biaya untuk sintesisnya. Sedangkan peralatan elektronika
yang menggunakan semikonduktor InP jumlahnya sangat terbatas.
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n dibuat dengan memberikan
pengotor berupa unsur-unsur dari golongan 15 seperti arsenik (As) pada
semikonduktor intrinsik Si atau Ge. Sebelum penambahan pengotor diagram
semikonduktor seperti pada gambar 1.
Pengotor As yang ditambahkan memiliki beberapa
pita energi, salah satu di antaranya terletak sedikit di bawah pita
konduksi semikonduktor Si. Pita As tersebut memiliki kelebihan elektron karena
elektron valensi As adalah 5. Elektron-elektron dari pita As dapat berinteraksi
ke pita konduksi Si sehingga jumlah elektron pada pita valensi Si bertambah
banyak seperti yang ditunjukan pada gambar berikut.
Adanya tambahan jumlah elektron pada pita
konduksi Si akan meningkatkan daya hantar listrik sehingga daya hantar listik
semikonduktor tipe-n yang diperoleh lebih besar dibandingkan daya hantar
semikonduktor Si mula-mula.
Semikonduktor intrinsik unsur dikategorikan oleh
unsur-unsur golongan 15, seperti semikonduktor Si yang yang dikotori oleh
fosfor atau arsenik, disebut semikonduktor tipe-n (negatif). Adanya pengotor
menyebabkan bertambahnya jumlah elektron yang bermuatan negatif pada pita
konduksi. Semikonduktor ini disebut juga semikonduktor tipe donor karena
pengotor yang ditambahkan memberikan elektron-elektron pada semikonduktor
intrinsik aslinya.
Pada waktu semikonduktor silikon didoping dengan
arsenik, beberapa atom silikon pada kisi kristalnya diganti dengan atom-atom
arsenik.
Apabila semikonduktor tipe-n diberi beda
potensial (diberi arus listrik) maka akan terjadi aliran elektron dari satu
posisi ke posisi yang lain sehingga menyebabkan terjadinya hantaran arus
listrik.
Semikonduktor tipe-n dapat juga diperoleh dari
semikonduktor intrinsik senyawa apabila atom penyusun senyawa yang memiliki
keelektronegatifan lebih tinggi jumlahnya dibuat lebih banyak dibandingkan
jumlah atom penyusun senyawa yang memiliki keelektronegatifan lebih rendah.
Galium arsenida (GaAs) merupakan semikonduktor
senyawa dengan keelektronegatifan atom Ga < As. Apabila jumlah atom As
dibuat lebih banyak maka diperoleh Ga(1-x) (x<<1) yang merupakan
semikonduktor tipe-n. Gabungan dari semikonduktor galium arsenida tipe-p dan
tipe-n dapat digunakan untuk menghasilkan sinar laser.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar