Physics Project 09: SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan gallium arsenide. Terdapat dua jenis semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik, semikonduktor intrinsik biasanya hanya terdiri dari Ge atau Si saja, sedangkan semikonduktor ekstrinsik gabungan dari dua jenis bahan atau lebih. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut materi doping). Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Pada umumnya, komponen dasar aktif elektronika terbuat dari bahan-bahan semikonduktor misalnya dioda, transistor, dan IC (Integreted Circuit)

I.SEJARAH SEMIKONDUKTOR

Pada tahun 1945, Bell Labs mendirikan sebuah kelompok untuk mengembangkan pengganti semikonduktor untuk tabung vakum. Kelompok yang dipimpin oleh William Shockley, termasuk, John Bardeen, Walter Brattain dan lainnya. Pada tahun 1947 Bardeen dan Brattain berhasil menciptakan sebuah sirkuit memperkuat memanfaatkan titik-kontak "transfer perlawanan" perangkat yang kemudian dikenal sebagai transistor. Bardeen dan Brattain perangkat adalah Transistor Kontak Point transistor pertama. Pada tahun 1948, Bardeen dan Brattain mengajukan paten, yang pada tahun 1950 dikeluarkan untuk Bell Labs. Pada tahun 1951, William Shockley mengembangkan transistor junction, bentuk yang lebih praktis dari transistor, transistor titik kontak sulit untuk memproduksi dan digantikan oleh transistor junction oleh lima puluhan pertengahan. Pada tahun 1954 transistor adalah komponen penting dari sistem telepon. Bell laboratorium juga berlisensi transistor untuk perusahaan lain (royalti) dan transistor pertama kali muncul dalam alat bantu dengar diikuti oleh radio. Pada tahun 1956 pentingnya penemuan transistor oleh Bardeen, Brattain dan Shockley diakui oleh Penghargaan Nobel dalam fisika.

II.JENIS-JENIS SEMIKONDUKTOR

Secara umum semikonduktor dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan kemurniannya yaitu intrinsic (murni) dan eksterinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor yang tidak murni atau sering disebut semikonduktor ekstrinsik dibagi lagi menjadi dua yaiti tipe-n dan tipe-p.

1.Semikonduktor Murni (Interiksik).

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.

Gambar diatas memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.

Tabel perbandingan bahan semikonduktor silicon dengan Germanium :

2.Semikonduktor tidak murni (Ekstrinsik).

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu tipe-N (pembawa muatan elektron) dan semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole).

Semikonduktor tipe-n.

Tipe-n 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 electron. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan. Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotormemberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n

Keterangan gambar :

a) Struktur Kristal silicon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silicon.
b)Struktur pita energi semikonduktor tipe-n.

Semikonduktor Tipe-p.

Ketika silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu Atom-atom pengotor (dopan) mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada gambar berikut :

Keterangan :

a) Struktur Kristal silicon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisi salah satu atom silicon.
b) Struktur pita energy semikonduktor tipe-p, perhatikan tingkat energi atom donor.

Susunan Bahan Semikonduktor

Bahan Semikonduktor tersusun dari unsur-unsur seperti Si dan Ge. Semikonduktor intrinsik hanya tersusun dari unsur Si atau Ge yang murni, dan semikonduktor ekstrinsik (semikonduktor tipe-n atau tipe-p) tidak hanya tersusun dari unsur Si atau Ge tetapi juga pengotor yang merupakan unsur bervalensi lima atau empat. Bila Si atau Ge diberi pengotor unsur bervalensi lima maka akan dihasilkan semikonduktor tipe-n (bahan yang kelebihan elektron, sehingga bersifat negatif). Sedangkan, bila Si atau Ge diberi pengotor unsur bervalensi tiga maka akan dihasilkan semikonduktor tipe-p (bahan yang kekurangan elektron, sehingga bersifat positif). hanya terdiri dari unsur Si atau Ge. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-n dan tipe-p dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Pada gambar 1 menunjukkan material tipe-p silikon dan germanium terdoping. Gambar 2 menunjukkan material tipe-n silikon dan germanium terdoping. Sedangkan bila dilihat dari pita energinya dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3 menunjukkan pita energy pada semikonduktor tipe-n. sedangkan gambar 4 menunjukkan pita energy pada semikonduktor tipe-p. Pada semikonduktor tipe-p atom yang dipasang menimbulkan hole, atom tersebut disebut atom akseptor(mempunyai lobang). Sebagian akseptor adalah atom dari boron, alumunium, gallium, indium. Letak atom akseptor lebih dekat pada pita valensi(gambar 4). Untuk semikonduktor tipe-n, atom yang menggantikan Si atau Ge bervalensi 5 sehingga bahan menjadi kelebihan elektron. Atom yang menggantikan disebut atom donor. Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Pada bahan semikonduktor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan elektron bebas. Pada bahan jenis p pembawa muatannya adalah hole sedangkan pada bahan jenis n pembawa muatannya adalah elektron bebas.

Semikonduktor paduan

Semikonduktor paduan (compound semiconductor) dapat diperoleh dari unsur valensi tiga dan valensi lima (paduan III-V, misalnya GaAs atau GaSb) atau dari unsur valensi dua dan valensi enam (paduan II-VI, misalnya ZnS). Ikatan kimia terbentuk dengan peminjaman elektron oleh unsur dengan velensi lebih tinggi kepada unsur dengan valensi lebih rendah Atom donor pada semikonduktor paduan adalah unsur dengan valensi lebih tinggi dibandingkan dengan unsur yang diganti. Atom akseptor adalah unsur dengan valensi lebih rendah dibandingkan dengan unsur yang diganti (ditempati).

(a) Kristal semikonduktor paduan GaAs dalam dua dimensi
(b) Kristal semikonduktor paduan GaAs tipe-n dua dimensi

III.APLIKASI BAHAN SEMIKONDUKTOR

A.Transistor

Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang masing-masing bekerja secara berbeda.Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut. FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut.

B.Dioda

Dalam elektronika, dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (diode termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua elektrode aktif dimana isyarat listrik dapat mengalir, dan kebanyakan diode digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Dioda varikap (VARIable CAPacitor/kondensator variabel) digunakan sebagai kondensator terkendali tegangan. Sifat kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis diode seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari diode adalah untuk memperbolehkan arus listrik mengalir dalam suatu arah (disebut kondisi panjar maju) dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya (disebut kondisi panjar mundur). Karenanya, diode dapat dianggap sebagai versi elektronik dari katup pada transmisi cairan. Dioda sebenarnya tidak menunjukkan kesearahan hidup-mati yang sempurna (benar-benar menghantar saat panjar maju dan menyumbat pada panjar mundur), tetapi mempunyai karakteristik listrik tegangan-arus taklinier kompleks yang bergantung pada teknologi yang digunakan dan kondisi penggunaan. Beberapa jenis diode juga mempunyai fungsi yang tidak ditujukan untuk penggunaan penyearahan.

C.Termistor

Termistor atau tahanan termal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Dalam beberapa hal, tahanan sebuah termistor pada temperatur ruang bisa berkurang sebanyak 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi. Dengan demikian termistor digunakan secara luas pada pemakaian tersebut, terutama dalam rangkuman temperatur rendah dari -100oC sampai 300oC. Tiga karakter penting dari termistor membuatnya sangat bermaanfaat terhadap pengukuran dan pengontrolan yaitu: (a) karakteristik temperatur tahanan, (b) karakteristik tegangan arus, dan (c) karakteristik arus waktu. Karakteristik pemanasan sendiri (self-heat), memberikan suatu bidang pemakaian yang sama sekali baru bagi termistor. Dalam keadaan yang memanasi sendiri, termistor adalah sensitive terhadap apa saja yang mengubah laju dari panas yang dihantarkan keluar darinya. Dengan begitu, termistor dapat digunakan untuk mengukur aliran, tekanan, tinggi permukaan cairan, komposisi gas dan lain-lain. akan tetapi jika laju panas adalah tetap, termistor sensitif terhadap masukan daya dan dapat digunakan untuk mengontrol level tegangan atau level daya. Perubahan tahan termistor yang relatif besar setiap perubahan temperatur dalam derajat (disebut sensitivitas) menjadikannya sebuah pilihan yang jelas sebagai transducer temperatur.

Termistor

D.Mikroprosesor

Sebuah mikroprosesor (sering dituliskan: µP atau uP) adalah sebuah central processing unit (CPU) elektronik komputer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sebuah sirkuit terintegrasi semikonduktor. Sebelum berkembangnya mikroprosesor, CPU elektronik terbuat dari sirkuit terintegrasi TTL terpisah; sebelumnya, transistor individual; sebelumnya lagi, dari tabung vakum. Bahkan telah ada desain untuk mesin komputer sederhana atas dasar bagian mekanik seperti gear, shaft, lever, Tinkertoy, dll. Evolusi dari mikroprosesor telah diketahui mengikuti Hukum Moore yang merupakan peningkatan performa dari tahun ke tahun. Teori ini merumuskan bahwa daya penghitungan akan berlipat ganda setiap 18 bulan, sebuah proses yang benar terjadi sejak awal 1970-an; sebuah kejutan bagi orang-orang yang berhubungan. Dari awal sebagai driver dalam kalkulator, perkembangan kekuatan telah menuju ke dominasi mikroprosesor di berbagai jenis komputer; setiap sistem dari mainframe terbesar sampai ke komputer pegang terkecil sekarang menggunakan mikroprosesor sebagai pusatnya.