Secara umum semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya
terletak an- tara sifat-sifat konduktor dan isolator. Operasi semua
komponen benda padat seperti dioda, LED, Transistor Bipolar dan FET
serta Op-Amp atau rangkaian terpadu lainnya (solid state) didasarkan
atas sifat-sifat semikon- duktor. Sifat-sifat kelistrikan konduktor
maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya
atau medan magnit, tetapi pada semikon- duktor sifat-sifat tersebut
sangat sensitif.
 |
| Struktur Atom Silikon dan Germanium |
Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia
dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga partikel
dasar, yaitu: neutron, proton, dan elek- tron. Dalam struktur atom,
proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan
sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti.
Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan
model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan,
silikon dan germanium, terlihat pada gambar 1.1.
Seperti ditunjukkan pada gambar 1.1 atom silikon mempunyai elektron yang
mengor- bit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium
mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron
dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah
elektron adalah: - 1.602 pangkat -19 C dan muatan sebuah proton adalah: +
1.602 pangkat -19 C.
Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron
valensi. Atom sili- kon dan germanium masing-masing mempunyai empat
elektron valensi. Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom
germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi em- pat).
Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi,
sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan
elektron valensi dari atom-atom yang berse- belahan. Struktur kisi-kisi
kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi guna
memudahkan pembahasan. Lihat gambar 1.2.
 |
| Struktur kristal silikon denganan kovalen ikatan kovalen |
Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja
elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah
konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut
cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron
tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas. Pada suhu
ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 10 pangkat 10 elektron bebas dalam 1
cm3 kubik bahan silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 10 pangkat 13
elektron bebas pada germanium. Semakin besar energi panas yang diberikan
semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen,
dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.
Setiap elektron yang menempati suatu orbit tertentu dalam struktur atom
tunggal (atau terisolasi) akan mempunyai level energi tertentu. Semakin
jauh posisi orbit suatu elektron, maka semakin besar level energinya.
Oleh karena itu elektron yang menduduki posisi orbit terluar dalam suatu
struktur atom atau yang disebut dengan elektron valensi, akan mempunyai
level energi terbesar. Sebaliknya elektron yang paling dekat dengan
inti mempunyai level energi terkecil. Level energi dari atom tunggal
dapat dilihat pada gambar 1.3.
 |
| Level Energi dari atom tunggal |
Di antara level energi individual yang dimiliki elektron pada orbit tertentu terdapat celah energi yang mana tidak dimungkinkan adanya elektron mengorbit. Oleh karena itu celah ini disebut juga dengan daerah terlarang. Suatu elektron tidak dapat mengorbit pada daerah terlarang, tetapi bisa melewatinya dengan cepat. Misalnya bila suatu elektron pada orbit tertentu mendapatkan energi tambahan dari luar (seperti energi panas), sehingga level energi elektron tersebut bertambah besar, maka elektron akan meloncat ke orbit berikutnya yang lebih luar yakni dengan cepat melewati daerah terlarang.
Hal ini berlaku juga sebaliknya, yaitu apabila suatu elektron dipaksa kembali ke orbit yang lebih dalam, maka elektron akan mengeluarkan energi. Dengan kata lain, elektron yang berpindah ke orbit lebih luar akan membutuhkan energi, sedangkan bila berpindah ke orbit lebih dalam akan mengeluarkan energi.
Besarnya energi dari suatu elektron dinyatakan dengan satuan elektron volt (eV). Hal ini disebabkan karena definisi energi merupakan persamaan:
 |
| Persamaan Energi |
sebuah elektron dapat dicari:
Bila atom-atom tunggal dalam suatu bahan saling berdekatan (dalam
kenyatannya memang mesti demikian) sehingga membentuk suatu kisi-kisi
kristal, maka atom-atom akan berinteraksi dengan mempunyai ikatan
kovalen. Karena setiap elektron valensi level energinya tidak tepat
sama, maka level energi jutaan elektron valensi dari suatu bahan akan
membentuk range energi atau yang disebut dengan pita energi valensi atau
pita valensi. Gambar 1.4 menunjukkan diagram pita energi dari bahan
isolator, semikonduktor dan konduktor. Suatu energi bila diberikan
kepada elektron valensi, maka elektron tersebut akan meloncat keluar.
Oleh karena elektron valensi terletak pada orbit terluar dari struktur
atom, maka elektron tersebut akan meloncat ke daerah pita konduksi.
Pita konduksi merupakan level energi dimana elektron terlepas dari
ikatan inti atom atau menjadi elektron bebas. Jarak energi antara pita
valensi dan pita konduksi disebut dengan pita celah atau daerah
terlarang.
Seberapa besar perbedaan energi, Eg, (jarak energi) antara pita valensi dan pita konduksi pada suatu bahan
akan menentukan apakah bahan tersebut termasuk isolator, semikonduktor atau konduktor. Eg adalah energi
yang diperlukan oleh elektron valensi untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Eg dinyatakan dalam satuan eV (elektron volt). Semakin besar Eg, semakin besar energi yang dibutuhkan elektron valensi untuk berpindah ke pita konduksi.
Seberapa besar perbedaan energi, Eg, (jarak energi) antara pita valensi dan pita konduksi pada suatu bahan
akan menentukan apakah bahan tersebut termasuk isolator, semikonduktor atau konduktor. Eg adalah energi
yang diperlukan oleh elektron valensi untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Eg dinyatakan dalam satuan eV (elektron volt). Semakin besar Eg, semakin besar energi yang dibutuhkan elektron valensi untuk berpindah ke pita konduksi.
Pada bahan-bahan isolator jarak antara pita valensi dan pita konduksi
(daerah terlarang) sangat jauh. Pada suhu ruang hanya ada sedikit sekali
(atau tidak ada) elektron valensi yang sampai keluar ke pita
konduksi. Sehingga pada bahan-bahan ini tidak dimungkinkan terjadinya
aliran arus listrik. Diperlukan Eg paling tidak 5 eV untuk mengeluarkan
elektron valensi ke pita konduksi.
 | |
| gambar 1.4 Diagram pita energi (a) isolator;(b) semikonduktor dan (c) konduktor |
Tempat yang ditinggalkan elektron valensi ini disebut dengan hole. Pada gambar 1.4 dilukiskan dengan lingkaran kosong. Meskipun hole ini secara fisik adalah kosong, namun secara listrik bermuatan positip, karena ditinggalkan oleh elektron yang bermuatan negatip. Level energi suatu hole adalah terletak pada pita valensi, yaitu tempat asalnya elektron valensi. Apabila ada elektron valensi berpindah dan menempati suatu hole dari atom sebelahnya,maka hole menjadi tersisi dan tempat dari elektron yang berpindah tersebut menjadi kosong atau hole. Dengan demikian arah gerakan hole (seolah-olah) berlawanan dengan arah gerakan elektron.
Sedangkan pada bahan konduktor pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih. Elektron-elektron valensi sekaligus menempati pada pita konduksi. Oleh karena itu pada bahan konduktor meskipun pada suhu 0 derajat K, cukup banyak elektron valensi yang berada di pita konduksi (elektron bebas).
Sumber Pustaka
Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.
Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.
Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.
Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.
Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
Tokyo: McGraw-Hill, Inc.
Tokyo: McGraw-Hill, Inc.
Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.
Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.
tice-Hall, Inc.
EmoticonEmoticon