Semikonduktor

Semikonduktor
• Definisi I: Bahan yang memiliki nilai hambatan
jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni
sebesar 10 -6 s.d. 10 4 ohm.m
• Perbandingan hambatan jenis konduktor,
semikonduktor, dan isolator:
Bahan Hambatan Jenis
(ohm.m)
Sifat
Tembaga 1,7 x 10 -8 Konduktor
Silikon pd 300 o K 2,3 x 10 3 Semikonduktor
Gelas 7,0 x 10 6 Isolator

Tiga buah bahan yakni tembaga, silikon, dan gelas
masing-masing memiliki panjang 1 m, dan diameter
1mm, jika pada kedua ujung bahan tersebut terpasang
tegangan 10V, tentukan besarnya arus yang lewat
masing-masing bahan tersebut!
Jawab:
Hitung dulu R dengan rumus:
R
=
ρ
l
A
Selanjutnya dihitung I untuk masing-masing bahan
dengan rumus:
I =
A = πr
V
R
2
r =
D
2

i=0,46 x 10 3 A
Tembaga
i= 3,41 x 10 -9 A
Silikon
i=1,12 x 10 -12 A
Gelas
Perhatikan! Arus yang mengalir pada bahan-bahan
tersebut dari yang terbesar adalah pada konduktor
(tembaga), semikonduktor (silikon), dan isolator (gelas)
10V

Semikonduktor
• Definisi II: Bahan yang memiliki pita terlarang
(forbidden band) atau energy gap (EG) yang
relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV
Pita
Konduksi
EG≈1eV
Pita
Valensi
Elektron
bebas
Hole
Pita
Konduksi
Pita
Terlarang
Pita
Valensi
KONDUKTOR SEMIKONDUKTOR ISOLATOR
EG≈6eV

Bahan-bahan Semikonduktor
• TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atomatom
dengan jumlah elektron terluar 3 buah
seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium
(In)
• TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki
atom-atom dengan jumlah elektron terluar 4
buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
• PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki
atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5
buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan
Antimon (Sb)

Bahan-bahan Semikonduktor
• Bahan yang paling banyak digunakan adalah
Si dan Ge
• Jumlah elektron Si 14 buah
• Jumlah elektron Ge 32 buah
• Jumlah elektron valensi (elektron terluar) Si
maupun Ge `masing-masing 4 buah
• Jenis ikatan kovalen

Jenis Semikonduktor: Intrinsik
• Semikonduktor Intrinsik
Merupakan semikonduktor
murni dan tidak cacat ,
contoh Silikon Murni
Si
Si
Si
Visualisasi
3-dimensi
Si
Si
Ikatan
Kovalen
Elektron
Valensi
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Visualisasi
2-dimensi
Struktur kristal Si: pengulangan secara teratur satuan sel 3 dimensi
berbentuk tetrahedral

Semikonduktor intrinsik pada suhu yang sangat
rendah:
• Semua elektron berada pada ikatan kovalen
• Tak ada elektron bebas atau tak ada pembawa muatan
sehingga bersifat sebagai isolator
Semikonduktor intrinsik pada suhu kamar:
• Agitasi termal menyebabkan beberapa elektron valensi
keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas
sebagai pembawa muatan negatif
• Munculnya elektron bebas diikuti dengan terbentuknya
hole (lubang) sebagai pembawa muatan positif,
peristiwanya disebut pembangkitan (generation)
• Jika dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagai
konduktor dengan konduktansi rendah)

+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
EG≈1,2eV
Si pada O o K
Pita Konduksi
Pita Terlarang
Pita Valensi
Elektron
Bebas
+4 +4 +4
Hole
+4 +4 +4
+4 +4 +4
EG≈1,1eV
Elektron
Bebas
Hole
Si pada 300 o K

Sifat bahan Silikon dan Germanium (milman, 1986)
Sifat Si Ge
Nomor atom 14 32
Berat atom 28,1 72,6
Kerapatan, gr/cm 3 2,33 5,32
Konstanta dielektrik 12 16
Atom/cm 3 5,0 x 10 22 4,4 x 10 22
Jurang tenaga (E G) pada 0 o K, eV 1,21 0,785
Jurang tenaga (E G) pada 300 o K, eV 1,1 0,72
Konsentrasi Intrinsik (300 o K), n i, cm -3 1,5 x 10 10 2,5 x 10 13
ρ intrinsik pada 300 o K, ohm.cm 230.000 45
Mobilitas elektron pada 300 o K (µ n), cm 2 /V.s. 1.300 3.800
Mobilitas elektron pada 300oK (µ p), cm 2 /V.s. 500 1.800

Pembawa Muatan Pada Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor Intrinsik
Generation
+4 +4 +4
e 2
+4 +4 +4
e n
+4 +4 +4
h 0
h 1
e 1
Recombination
Semikonduktor Intrinsik
+4 +4 +4
h 2
e 2
+4 +4 +4
e n
Medan Listrik
Terpasang, E
+4 +4 +4
Keadaan Terdahulu Keadaan Kemudian
e 1

Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik
• Semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor yang
memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh
atom asing
Semikonduktor
Ekstrinsik
Semikonduktor
Tipe-N
Semikonduktor
Tipe-P
• Pengotoran oleh atom
pentavalent spt P, As, Sb
• Atom pengotornya disebut
atom donor
• Pembawa muatan: elektron
• Pengotoran oleh atom
trivalent spt B, Ga, In
• Atom pengotornya disebut
atom akseptor
• Pembawa muatan: hole

Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik
• Tujuan doping: meningkatkan konduktivitas
semikonduktor, dan memperoleh semikonduktor dengan
hanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja
• Perbandingan doping:
Atom dopant : atom murni=1:10 6 s.d. 10 8
Dopant adalah atom pengotor. Atom-atom dopant pada
semikonduktor tipe-N adalah atom-atom pentavalent
dan dinamakan atom donor, sedangkan pada
semikonduktor time-P trivalent dan dinamakan atom
akseptor.

Semikonduktor Tipe-N
Elektron
Bebas
+4 +4 +4
+4 +5 +4
As
+4 +4 +4
EG
Pita Konduksi
Tingkat energi donor
0,05eV
Pita Valensi
Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian
kecil lainnya bersama hole karena generation akibat agitasi termal.
Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole sebagai
pembawa muatan minoritas.
EC
ED
EV

Semikonduktor Tipe-P
+4 +4 +4
+4 +3 +4
In
Hole
+4 +4 +4
EG
Pita Konduksi
Tingkat energi akseptor
0,05eV
Pita Valensi
Hole sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya
bersama elektron bebas karena generation akibat agitasi termal. Hole
menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron bebas sebagai
pembawa muatan minoritas.
EC
EA
EV

Piranti Semikonduktor
• Beberapa piranti semikonduktor: diode pertemuan pn,
transistor, termistor, SCR (silicon controlled rectifier), IC
(Integrated Circuit)

Diode Pertemuan PN
• Suatu pertemuan pn adalah kristal tunggal
semikonduktor yang pada satu sisinya mendapat
penyuntikan atom akseptor dan pada sisi yang lain
mendapat penyuntikan atom donor
• Pertemuan pn merupakan blok bangunan dasar (basic
building block) bagi piranti semikonduktor
• Diode pertemuan pn: pertemuan pn yang pada kedua
sisinya dilekatkan logam (metalurgical bond) sehingga
terdapat dua ujung logam yang merupakan terminal atau
elektrode, yakni anode pada sisi p dan katode pada
sisi n.

Hasilnya:
Pertemuan PN
Atomatom
Akseptor
Doping
Atomatom
Donor
Doping
Kristal Tunggal Semikonduktor
Type-P Type-N

Diode Pertemuan PN
Kawat Kawat
Logam
Hasilnya:
PERTEMUAN PN
Type-P Type-N
Pembungkus
Logam
Anode Katode
Simbol:

Hole
Pertemuan PN Terbuka
- - - - - - + +
- - - - -
- - - - -
- - - - -
Jenis p
Bidang
Pertemuan
Ion Akseptor Ion Donor
-
-
-
+
+
+
Lapisan
Pengosongn
+ + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + +
Jenis n
Elektron
• Atom-atom yang mengandung hole dapat digambarkan
sebagai ion-ion negatif karena kekurangan elektron, dan
atom-atom yang kelebihan elektron sebagai ion positif
• Ion-ion akseptor adalah ion-ion negatif dan ion-ion donor
adalah ion-ion positif.

Pertemuan PN Terbuka
Lapisan Pengosongan:
• Saat p dan n dipertemukan, terjadi difusi elektron ke arah p dan
difusi hole ke arah n, menimbulkan arus difusi ke kanan
• Terjadi recombination (penggabungan) di sekitar bidang pertemuan
sehingga elektron dan hole lenyap
• Di sekitar bidang pertemuan tak terdapat pembawa muatan, disebut
daerah pengosongan (depletion region)
Tegangan Penghalang:
• Lenyapnya elektron meninggalkan ion donor (+), dan lenyapnya
hole meninggalkan ion akseptor (-)
• Adanya ion positif dan negatif menyebabkan adanya medan listrik
sehingga ada tegangan, disebut tegangan kontak atau tegangan
penghalang (barrier potensial), menimbulkan arus drift ke kiri
• Karena pertemuan pn ini terbuka, maka ada kesetimbangan antara
arus drift dengan arus difusi

Pertemuan pn dengan prasikap maju (forward bias):
Anode
• Adanya V D menyebabkan arus difusi lebih besar dari arus drift
• Jika potensial penghalang sebelum diberi V D adalah V o , maka potensial
penghalang turun menjadi V o -V D , daerah pengosongan menjadi sempit
• Pembawa mayoritas punya energi yang cukup untuk melewati potensial
penghalang
• Hole dari sisi p (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan
menjadi pembawa minoritas di sisi n
• Elektron dari sisi n (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah
pengosongan menjadi pembawa minoritas di sisi p
-
- +
Jenis P Jenis N
- +
-
• Jumlah arus dari elektron dan hole merupakan arus total yang lewat diode
VD
+
+
Lapisan
Pengosongn
E
Katode

Pertemuan pn dengan prasikap mundur (reverse bias):
Anode
-
-
- - - + + +
Jenis P Jenis N
- - - + + +
-
-
-
-
VD
+
+
Lapisan
Pengosongn
E
+
+
+
+
Katode
• Hole pada sisi p bergerak ke kiri, elektron pada sisi n bergerak ke kanan,
daerah pengosongan melebar, potensial penghalang menjadi V o +V D , tidak
ada arus lewat bidang pertemuan
• Karena daerah pengosongan pada dasarnya merupakan semikonduktor
intrinsik, agitasi termal dapat menyebabkan terjadinya generation sehingga
muncul pasangan elektron dan hole pada daerah ini
• Pengaruh medan listrik yang terpasang terhadap adanya elektron dan hole
di daerah pengosongan menyebabkan terjadinya arus yang arahnya dari
katode ke anode dan disebut arus balik saturasi yang besarnya 10 -8 sampai
dengan 10 -14 A.