6BAHAN SEMIKONDUKTOR6.1 Semikonduktor Intrinsik (murni)Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.Gambar 6.1 Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensiEnergi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari54 ELEKTRONIKA DASAR ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektronbebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.(a)E B C F G H A I S T)G C H C F P Q G R P Q2(b)! " # $ %0 1" # ' ( # ( ! $&3 4 5 6 7 8U V 9 @ A B C DGambar 6.2 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalenyang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinyaelektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensiBahan Semikonduktor 55 Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arusdriftdapat dituliskansebagai berikutPeristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatifyang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrikAkibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:( )J=n+pqe=se(6.1)npdimanandanp= konnsentrasi elektron dan lubang (m-3)dan= mobilitas elektron dan lubang (m2V-1s-1)np( )s=n+pq= konduktivitas (S cm-1)npKarena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskansebagain=p=n(6.2)idimanandisebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon danigermanium diperlihatkan pada tabel 6.1.Tabel 6.1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 KProperti Silikon GermaniumEnergi terlarang/gap (eV) 1,1 0,670,135 0,39Mobilitas elektron, )(mVs211--n0,048 0,19Mobilitas lubang, )(mVs2-1-1p1,5102,4101619Konsentrasi intrinsik, )n(m-3i2300 0,46Resistivitas intrinsik, )(mWi56 ELEKTRONIKA DASAR 6.2 Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar6.3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkanpada tabel 6.3.Tabel 6.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodik6.2.1 Semikonduktor tipe-nSemikonduktor tipe-ndapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memilikimuatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikondalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektronbebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-nkarenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotorBahan Semikonduktor 57 memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secaraskematik semikonduktor tipe-ndigambarkan seperti terlihat pada gambar 6.3.(a)t u v w x y x un ok mf g f h i j(b)d d eX Y ` a b ` c ` dk le f g h i h p q r s fGambar 6.3 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi limamenggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energisemikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.6.2.2 Semikonduktor tipe-pDengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-pdapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa58 ELEKTRONIKA DASAR sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-pkarena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-pdigambarkanseperti terlihat pada gambar 6.4.(a)y z { | } ~ } z (b) p q r s t s u v w x qGambar 6.4 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tigamenggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energisemikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.Bahan Semikonduktor 59 6.3 Generasi dan RekombinasiProses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperaturTdinyatakan dengankT, dimanakadalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistikmenunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengane. Jika energi gapeVberharga kecil dan temperaturTtinggi-eV/kTGGmaka laju generasi termal akan tinggi.Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang makaRakan berharga rendah; sebaliknyaRakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehinggaRakan berharga sangattinggi. Secara umum dapat dituliskan:R=rnp(6.3)dimanarmenyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi. Pada semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlakug=g=R=rnp=rn(6.4)2iiiiiataunp=n(6.5)2iatau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.60 ELEKTRONIKA DASAR Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donorN>> n, dengan konsentrasi elektron sebesarDinN(6.6)nDDengan demikian konsentrasi lubang akan menjadi mengecil, yaitu sebesarnn22p=(6.7)iinNnnDDengan cara yang sama pada semikonduktor tipe-p berlakun2pNdann(6.8)iNpApAdimanap= konsentrasi lubang pada tipe-ppn= konsentrasi elektron pada tipe-ppN= konsentrasi atom aseptorA6.4 DifusiJika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasipartikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadimekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partiketharus random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron padasalah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan elektronbergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi yang lebih padatke sisi yang kurang padat. Gerakan muatan ini menghasilkan arus difusi yangbesamya sebanding dengan gradien konsentrasidn/dx. Kerapatan arus difusi karenaaliran elektron diberikan olehBahan Semikonduktor 61 dnJ=qD(6.9)dxnndimanaD= konstanta difusi untuk elektron (m2s-1). Jikadn/dxberharga positif,ngerakan elektron pada arah-xmenghasilkan arus positif pada arah+x. Dengan carayang sama untuk lubang diperolehdpJ=-qD(6.10)dxppPerlu dicatat bahwa masing-masing partikel yang bermuatan bergerak menjauhibagian yang mempunyai konsentrasi lebih tinggi, namun gerakan tersebut bukan karenaadanya gaya tolak. Seperti halnya pada mobilitas, difusi merupakan penomena statistiksehingga berlaku persamaan Einsteinq==(6.11)pnDDkTnp62 ELEKTRONIKA DASAR