Cara Kerja Semikonduktor

Mahsun saleh S.Si

0 Comment

Link
cara kerja semikonduktor

Cara Kerja Semikonduktor. Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit).

Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah merupakan konduktor yang baik sebab logam-logam inimemiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.

Baca juga: Fungsi Resistor Induktor dan Kapasitor

Bagaimana Konduktor, Isolator dan Semikonduktor terjadi?

Cara Kerja Konduktor

Atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dengan 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yaitu nucleus. Kondisi ini membutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron elektron berpasangan tersebut. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya ‘jauh’ dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

IKATAN ATOM TEMBAGA
Ikatan Atom Tembaga

 

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Penomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik dan kejadian bahan konduktor.

Cara kerja Isolator

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, merupakan ikatan yang kuat dan tidak memiliki elektron bebas yang dapat mudah bergerak. Sehingga membutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini.

Cara kerja Semikonduktor

Semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling “semikonduktor” adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Cara Kerja Semikonduktor

Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik. Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika Anda memasukkan sepasang konduktor kedalamnya, dan  tegangan DC tepat di bawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen). Hasilnya, tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator.

Namun, Jika Anda memasukkan garam ke dalam air tersebut, konduksi arus akan mulai mengalir, karena  sejumlah muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah nonkonduktor (isolator), karena pembawa muatanya tidak bebas

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah para ilmuan mnemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada di bumi setelah oksigen (O2).

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika memiliki 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Berikut visualisasi struktur atom Silikon pada suhu yang sangat rendah (0 K):

 

STRUKTUR DUA DIMENSI KRISTAL SILIKON
Struktur Dua Dimensi Kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik.

Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini.

Doping Semikonduktor

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika Anda menambahkan pencemar, seperti Arsenik atau boron, atau proses doping, dalam jumlah yang cukup kecil yang tidak sampai mengacaukan struktur kristal silikon. Proses ini akan memberi elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen pada Silikon, sehingga dapat mengahantarkan listrik.

Berikut Tipe Semikonduktor dengan Penambahan zat tertentu (Doping):

Tipe-N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang
siap melepaskan elektron.

DOPING ATOM PENTAVALEN
Doping Atom Pentavalen

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

DOPING ATOM TRIVALEN
Doping Atom Trivalen

Sifat Doping Semikonduktor

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor.

Namun, di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) di mana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n terdapat dalam satu keping Silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Lavel dan Jumlah doping semikonduktor

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal Silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.

Jumlah doping dalam sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Sedangkan, Kondisi lain dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom.

Dalam metal, untuk merubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya.

Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak bermanfaat), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan.

Oleh Ahmad Taqiani S.si (Unram)

Refrensi:

(Bahan Ajar Elektronika Dasar, Ahmad Fali Oklilas Universitas Sriwijaya 2007)

Share:

Related Post

Tinggalkan komentar