Teori Semikonduktor

A. Teori Atom

Dalam dunia fisika atom, terdapat beberapa model untuk menggambarkan struktur fisik sebuah atom. Beberapa ahli yang memaparkan model atom antara lain adalah: Rutherford, Thompson, Bohrs dan De Broglie. Bohr membuat model dimana atom diasumsikan sebagai sebuah inti yang dikelilingi oleh elektron-elektron, (e-), (bermuatan negatif) yang mengitarinya, sebagaimana terlihat di Gambar 1. Inti atom terdiri dari neutron dan proton, (e+), (bermuatan positif) yang menarik elektron-elektron agar tetap pada orbit yang stabil. Model ini diinspirasikan dari miniatur sistem tata surya alam semesta ini.

Gambar 1. Struktur Atom

Setiap elektron beredar di dalam suatu lintasan dengan radius tertentu, sedangkan setiap radius memiliki lintasan yang unik dengan ikatan energi tertentu, dimana elektron tidak dapat berada diantara lintasan-lintasan tersebut. Lintasan terjauh dari inti atom disebut dengan lintasan valensi. Sehingga, elektron yang terletak pada lintasan terluar disebut dengan elektron valensi. Tipe atom akan ditentukan oleh jumlah elektron valensi ini. Ilustrasi sistem level energi ini digambarkan pada

Gambar 2. di bawah ini.

Untuk berpindah dari satu lintasan ke lintasan lain yang lebih tinggi, diperlukan energi, seperti energi panas, cahaya, radiasi dan lainnya. Situasi dimana sebuah elektron berada pada level energi yang lebih tinggi dikenal dengan istilah elektron yang tereksitasi. Sebaliknya, ketika elektron berpindah dari lintasan yang tinggi ke lintasan yang lebih rendah, ia akan melepaskan energi. Pada kondisi sebenarnya, atom-atom tersebut akan saling mengikat dalam jumlah yang banyak. Sehingga, level energi setiap atom akan saling berdekatan. Level-level energi yang saling berdekatan ini akan membentuk suatu pita, dikenal dengan pita energi (Energy Band).
Secara umum, pita energi ini akan terbagi menjadi dua daerah, yaitu daerah pita valensi (Valence Band) dan pita konduksi (Conduction Band). Atom-atom pada daerah pita valensi terikat sangat erat dengan inti atom, sedangkan atom-atom pada deerah pita konduksi mudah sekali terlepas dari inti atom. Setiap material memiliki jarak tertentu antara pita valensi dengan pita konduksi, dikenal dengan istilah Energy Gap. Berdasarkan Energy Gap inilah, sifat-sifat material dapat dibedakan. Material logam memiliki Energy Gap yang saling tumpang tindih (overlap), sehingga atom-atom dapat dengan sangat mudah bergerak ke daerah pita konduksi. Sehingga, material ini memiliki sifat yang sangat konduktif dan dikenal dengan bahan konduktor. Gambar 3. di bawah ini mengilustrasikan pita energi dan Energy Gap pada material konduktor.

Gambar 3. Energy Gap pada material konduktor

Sementara itu, material non-logam memiliki Energy Gap yang berjauhan, sehingga atom-atom sulit untuk bergerak ke daerah pita konduksi. Sehingga, material ini memiliki sifat yang sukar untuk konduksi dan dikenal dengan istilah isolator. Ilustrasi pita energi dan Energy Gap pada material isolator ditampilkan pada Gambar 4.di bawah ini:

Gambar 4. Energy Gap pada material isolator

Pada sisi yang lain, terdapat material yang memiliki Energy Gap yang berdekatan. Oleh karena itu, pada kondisi normal atom-atom sulit untuk bergerak ke daerah pita konduksi dan bersifat isolator. Namun, dengan sedikit tambahan energi, atom-atom tersebut dapat bergerak ke daerah pita konduksi sehingga menjadi bersifat konduktor. Karena sifatnya yang demikian, material ini dikenal dengan nama bahan semikonduktor. Ilustrasi pita energi dan Energy Gap pada material semikonduktor ditampilkan pada Gambar 5. di bawah ini. Material semikonduktor yang telah dikenal secara umum adalah Silikon.

Gambar 5. Energy Gap pada material Semikonduktor

B. Teori Atom Silikon

Atom Silikon (Si) mempunyai 14 buah elektron, yang terdiri dari 2 elektron pada lintasan pertama, 8 elektron pada lintasan kedua, dan 4 elektron pada lintasan ketiga atau terakhir (Gambar 6). Jadi, atom Silikon memiliki 10 elektron yang terikat kuat kepada inti atom, dan 4 elektron valensi yang ikatannya kepada inti atom tidak kuat dan mudah lepas dengan sedikit energi tertentu. Karena atom Silikon memiliki 4 buah elektron valensi, maka ia dikenal dengan istilah atom tetravalen.

Gambar 6. Atom Silikon

Untuk menjadi stabil secara kimiawi, sebuah atom Silikon membutuhkan delapan elektron di lintasan valensinya. Maka, setiap atom Silikon akan bergabung dengan atom Silikon lainnya, sedemikian rupa sehingga menghasilkan delapan elektron di dalam lintasan valensinya. Ketika ini terjadi, maka Silikon akan membentuk benda padat, yang disebut kristal. Gambar 7. mengilustrasikan gambar 3 Dimensi sebuah atom Silikon yang berikatan dengan 4 atom Silikon tetangganya, sehingga jumlah total elektron atom tersebut pada lintasan valensinya menjadi tetap 8. Hal ini terjadi pula dengan atom-atom Silikon yang lainnya. Karena pusat-pusat atom yang berdekatan mempunyai muatan total positif, maka akan menarik elektron-elektron yang dimiliki bersama tersebut. Gaya-gaya ini akan mengikat kuat atom satu sama lain dengan suatu ikatan yang disebut ikatan kovalen (covalen bonds).

Gambar 7. 3D Atom Silikon

Pada kondisi ini, elektron hanya memenuhi daerah valensi. Sedangkan pada daerah konduksi tidak terdapat sama sekali elektron. Sehingga, Silikon akan bersifat seperti isolator, yang tidak dapat mengalirkan energi. Namun, bila suhu dinaikkan di atas 0K, maka akan terjadi perubahan, dimana energi panas tersebut akan mampu melepaskan beberapa ikatan kovalen. Elektron-elektron valensi akan pindah ke jalur yang dapat bergerak dengan leluasa, yaitu jalur konduksi. Pada jalur ini, gerakan elektron tersebut akan menghasilkan arus sesuai dengan banyaknya elektron valensi yang terjadi, yang disebut dengan arus elektron. Namun, arus ini masih terlalu kecil untuk dapat dimanfaatkan. Pada kondisi ini, Silikon bukanlah isolator yang baik dan bukan pula konduktor yang baik. Karena alasan inilah, silikon disebut sebagai bahan semikonduktor.
Bersamaan dengan terlepasnya elektron ke jalur konduksi, maka akan ‘tertinggal’ sebuah lubang (hole) di dalam jalur valensi. Setiap hole di dalam jalur ini, akan menyebabkan pergerakan hole. Pergerakkan hole juga dapat menghasilkan arus. Sebenarnya, yang bergerak tetaplah elektron, namun, pergerakan elektron ini terjadi karena tersedianya hole di jalur valensi. Pergerakan elektron di jalur ini, dianggap sebagai arus hole.

Gambar 8. Semikonduktor Murni

Yang membedakan bahan Semikonduktor dengan bahan lain adalah bahan ini memiliki dua lintasan arus, yaitu Arus Elektron pada jalur konduksi dan Arus Hole pada jalur valensi. Kedua arus ini memiliki besar yang sama, karena jumlah elektron dan hole yang terbentuk adalah sama. Elektron-elektron pada jalur konduksi diberi simbol negatif, sesuai dengan muatannya. Sedangkan hole-hole pada jalur valensi diberi simbol positif, karena dianggap bermuatan positif. Karena beberapa hal, sangat sering terjadi suatu elektron pada jalur konduksi terjatuh ke dalam hole pada jalur valensi. Penggabungan kembali sebuah elektron bebas dan sebuah hole disebut dengan rekombinasi. Rekombinasi dapat terjadi terus menerus di dalam suatu semikonduktor. Lifetime adalah istilah yang diberikan kepada waktu rata-rata timbul dan menghilangnya sepasang elektron-hole.

C. Semikonduktor Intrinsik dan Ekstrinsik

Suatu kristal Silikon yang murni, dimana setiap atomnya adalah atom Silikon saja, disebut sebagai semikonduktor intrinsik. Untuk kebanyakan aplikasi, tidak terdapat pasangan elektron-hole yang cukup banyak didalam suatu semikonduktor intrinsik untuk dapat menghasilkan arus yang berguna. Doping adalah penambahan atom-atom impuritas pada suatu kristal untuk menambah jumlah elektron maupun hole. Suatu kristal yang telah di-dop disebut semikonduktor ekstrinsik. Untuk memperoleh tambahan elektron pada jalur konduksi, diperlukan atom pentavalent. Atom pentavalen ini juga disebut sebagai atom donor. Setelah membentuk ikatan kovalen dengan tetangganya, atom pentavalen ini mempunyai kelebihan sebuah elektron, yang dapat beredar pula pada jalur konduksi, seperti pada Gambar 9. Sehingga terbentuk jumlah elektron yang cukup banyak dan jumlah hole yang sedikit. Keadaan ini diistilahkan dengan elektron sebagai pembawa mayoritas dan hole sebagai pembawa minoritas. Semikonduktor yang di-doping seperti ini disebut dengan semikonduktor type-n.

Gambar 9. Semikonduktor type-n.

Demikian pula jika semikonduktor di-doping bahan trivalent, atau atom akseptor, akan terbentuk jumlah hole pada jalur valensi yang banyak. Maka, akan terbentuk keadaan dimana hole menjadi pembawa mayoritas dan elektron menjadi pembawa minoritas. Semikonduktor ini disebut semikonduktor type-p. Gambar 10. memperlihatkan struktur semikonduktor type-p dengan akseptornya.

Gambar 10. Semikonduktor type-p.