BAB 1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dalam kegiatan praktikum mahasiswa pendidikan fisika tidak lepas dari penggunaan

piranti elektronika. Salah satu komponen elektronika yang digunakan adalah dioda.

Dioda merupakan bahan yang tersusun atas semikonduktor tipe-P dan tipe-N.Bahan

semikonduktor merupakan bahan yang banyak di gunakan dalam pembuatan

komponen-kompenen elektronika yaitu kristal silikon. Dahulu orang juga

menggunakan unsur germanium.  Kedua unsur itu merupakan kelompok IV dalam

susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang terbentuk dari unsur galoium dan arsen

mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk

membentuk bahan semikonduktor, krital ini banyak digunakan untuk membuat lampu

LED, yang dipakai untuk lampu penunjuk dan laser dioda. Kristal GaSa juga

digunakan untuk membuat transistor yang dapat bekerja hingga daerah frekuensi

tinggi, yaitu dalam daerah gelombang mikro.

Pada umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0 C

dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor intrinsik

(murni), yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja. Perlu

diketahu bahwa semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan dioda dan

transistor  terdiri dari campuran bahan semikonduktor instrinsik dengan unsur

kelompok V atau kelompok III. Sehingga semikonduktor yang dihasilkan adalah

semikonduktor ekstrinsik.

Berdasarkan hal tersebut, pemahaman tentang semikonduktor sangat penting

dipelajari untuk memberikan pemahaman kepada mahasiswa tentang karakteristik,

jenis-jenis dan pemanfaatan semikonduktor

1

1.2. Rumusan Masalah

1. Apakah yang dimaksud dengan semikonduktor ?

2. Bagaiman distribusi Fermi-Dirac pada semikonduktor ?

3. Bagaimana klasifikasi semikonduktor ?

4. Apakah kegunaan semikonduktor ?

1.3. Tujuan

1. Dapat menjelaskan pengertian semikonduktor

2. Dapat memahami distribusi Fermi-Dirac pada semikonduktor

3. Dapat menjelaskan klasifikasi semikonduktor

4. Dapat menjelaskan kegunaan semikonduktor

2

BAB 2. PEMBAHASAN

2.1 Definisi Semikonduktor

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada

diantara isolator dan konduktor.Disebut semi atau setengah konduktor, karena

bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor umumnya

diklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhu kamar, yakni

dalam rentang 10-2-109 Ωcm. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai

isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan

bersifat sebagai konduktor.

Semikonduktor adalah bahan dengan celah energi Eg antara pita valensi dan

pita konduksi berorde 1 eV. Pada T=0, semua keadaan pada pita valensi terisi

penuh dan semua keadaan dalam pita konduksi kosong. (Krane, 1992:615-616).

Berdasarkan Distribusi Fermi Dirac berbentuk suatu tangga yang

memberikan probabilitas pengisian 1 bagi semua keadaan di bawah EF dan 0

untuk semua keadaan di atas EF. Tetapi, bila suhu dinaikkan , beberapa keadaan

di atas EF akan terisi dan beberapa keadaan dibawah EF akan kosong.

2.2. Fermi Dirac pada Semikonduktor

Penerapan fungsi distribusi Fermi-Dirac pada semikonduktor terdapat pada

pengisian pita energi dalam semikonduktor. Dimana elektron dari pita konduksi yang

akan mengisi pita valensi pada semikonduktor harus memiliki besar energi melebihi

energi gap dari semikonduktor itu sendiri, sehingga bahan tersebut akan terkonduksi

dan akan menghantarkan arus listrik.

Diagram pita energi untuk material semikonduktor mirip dengan material

isolator akan tetapi berbeda pada lebar celah energinya. Celah energi pada

semikonduktor hanya sekitar 1 eV. Germanium dan silikon adalah material

3

semikonduktor. Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2 dan Si [Ne] 3s2 3p2; kedua

macam atom ini memiliki 4 elektron di tingkat energi terluarnya. Tumpangtindih

pita energi di tingkat energi terluar akan membuat pita energi terisi penuh 8

elektron. Karena celah energi sempit maka jika temperatur naik, sebagian

elektron di pita valensi naik ke pita konduksi dengan meninggalkan tempat

kosong (hole) di pita valensi. Keadaan ini digambarkan pada Gambar 4. Baik

elektron yang telah berada di pita konduksi maupun hole di pita valensi akan

bertindak sebagai pembawa muatan untuk terjadinya arus listrik. Konduktivitas

listrik naik dengan cepat dengan naiknya temperatur. Pada temperatur kamar,

sejumlah electron terstimulasi thermis dan mampu naik ke pita konduksi dan

meninggalkan hole (tempat lowong) di pita valensi. Konduktivitas listrik tersebut di

atas disebut konduktivitas intrinksik.

Gambar 4. Diagram pita energi semikonduktor. Sejumlah elektron naik

ke pita konduksi pada temperatur kamar.

4

Konduktivitas material semikonduktor juga dapat ditingkatkan dengan

penambahan atom asing tertentu (pengotoran, impurity). Jika atom pengotor

memiliki 5 elektron terluar (misalnya P atau As) maka akan ada kelebihan satu

elektron tiap atom. Kelebihan elektron ini akan menempati tingkat energi

sedikit di bawah pita konduksi (beberapa perpuluh eV) dan dengan sedikit

tambahan energi akan sangat mudah berpindah kepita konduksi dan berkontribusi

pada konduktivitas listrik. Atom pengotor seperti ini disebut donor (karena ia

memberikan elektron lebih) dan semikonduktor dengan donor disebut semikonduktor

tipe n.

Jika atom pengotor memiliki 3 elektron terluar (misalnya B atau Al) maka akan

ada kelebihan satu hole tiap atom. Kelebihan hole ini akan menempati tingkat energi

sedikit di atas pita valensi dan dengan sedikit tambahan energi akan sangat

mudah elektron berpindah dari pita valensi ke hole di atasnya dan meninggalkan

hole di pita valensi yang akan berkontribusi pada konduktivitas listrik. Atom

pengotor seperti ini disebut akseptor (karena ia menerima elektron dari pita

valensi) dan semikonduktor dengan akseptor disebut semikonduktor tipe p. Untuk

membuat perubahan konduktivitas yang memadai di material semikonduktor,

cukup ditambahkan sekitar 1 pengotor per sejuta atom semikonduktor.

2.3. Klasifikasi Semikonduktor

Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan

menjadi dua jenis, yaitu Semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.

1. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas

satu unsur saja atau Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor

yang tidak ataupun belum terkotori oleh atom-atom asing.

Apabila kita mengenakan medan elektrik pada sebuah semikonduktor,

elektron-elektron pita konduksinya akan mencoba bergerak menurut arah

berlawanan medan, yang dengan demikian memberikan arus elektrik.

5

Elektron-elektron dalam pita valensi juga mencoba untuk bergerak menurut

arah berlawanan medan, tetapi untuk melakukannya setiap elektronnya harus

berpindah dari satu keadaan terisi ke salah satu keadaan kosong pita valensi

yang sedikit itu. Sewaktu medan elektrok menarik elektron-elektron ke salah

satu ujung bahan, semua kekosongan akhirnya akan terpusatkan pada ujung

lainnya. Jika kita mengikuti gerak elektron-elektron dalam pita valensi

ketika mereka meloncat dari satu kekosongan ke kekosongan berikutnya,

kita akan melihat bahwa tampak kekosongan bergerak menurut arah

sebaliknya. Kekosongan ini disebut dengan “Hole”.

Dengan demikian arus dalam semikonduktor terdiri atas dua bagian:

aliran elektron bermuatan negatif dalam pita konduksi dan aliran lubang

bermuatan positif dalam pita valensi. Meskipun jumlah elektron dalam pita

konduksi sama banyaknya dengan jumlah lubang dalam pita valensi, saham

masing-masingnya bagi arus elektrik umumnya tidak sama besar, karena

elektron dalam pita konduksi bergerak lebih mudah daripada elektron dslsm

pits valensi yang menghasilkan gerak lubang. Khasnya, pada suhu ruang,

banyak elektron bagi arus adalah sekitar dua hingga empat kali banyak

lubang.

Ciri-ciri dari semikonduktor intrinsic adalah sebagai berikut:

a. Jumlah elektron dalam pita konduksi sama dengan jumlah lubang

dalam pita valensi.

b. Energi fermi terletak di tengah celah energi

c. Jumlah elektron pada arus lebih banyak daripada jumlah lubang

d. Sekitar 1-109 buah atom memberi saham pada konduksi

Salah satu contoh semikonduktor intrinsik yaitu Si saja atau Ge saja.

Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi

berikatan dengan 4 atom Si lainnya, seperti pada gambar berikut ini:

6

Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk

kubus.Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan

kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron

bersama ( ) oleh dua atom Si yang berdekatan.

Menurut tori pita energi, pada T=0K pita valensi semikonduktor terisi

penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut

dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 -3,7 eV. Pada

7

suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan

0,66 eV.

Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas,

elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi

menyeberangi celah energi. Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal

dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan

tereksitasi menyeberangi celah energi. Elektron valensi pada atom Gelebih

mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada

atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge.

Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Dengan demikian dasar pita

konduksi dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole.

Sekarang, kedua pita terisi sebagian, dan daat menimbulkan arus netto bila

dikenakan medan listrik.

2. Semikonduktor ekstrinsik (tak murni)

Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari

jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Proses penambahan

atom pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran (doping).

Dengan menambahkan atom pengotor (impurities), struktur pita dan

resistivitasnya akan berubah.

Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan

elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi

8

elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-

masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian. Dalam

aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan

elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping

ketidakmurnian ke dalam semikonduktor.

Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-

n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan.\

a. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n

Semikonduktor dengan konsentrasi elektron lebih besar

dibandingkan konsentrasi holedisebut semikonduktor ekstrinsik tipe-n.

Semikonduktor tipe-n konduktivitasnya banyak disebabbkan oleh

elektron bermuatan negatif.

Semikonduktor tipe-n menggunakan semikoduktor intrinsik dengan

menambahkan atom donoryang berasal dari kelompok V pada susunan

berkala, misalnya Ar (arsenic), Sb (Antimony), phosphorus (P). Atom

campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal

semikonduktor.

Konsentrasi elektron pada Si dan Gedapat dinaikkan dengan proses

doping unsur valensi 5. Sisa satu elektron akan menjadi elektron bebas,

jika mendapatkan energi yang relatif kecil saja (disebut sebagai energi

9

ionisasi). Elektron ini akan menambah konsentrasi elektron pada pita

konduksi. Elektron yang meninggalkan atom pengotor yang menjadi ion

disebut dengan elektron ekstrinsik. Keberadan impuriti donor

digambarkan dengan keadaan diskrit pada energi gap pada posisi

didekat pita konduksi.

Penambahan atom donor telah menambah level energi pada pita

konduksi yang berada diatas energi gap sehingga mempermudah

elektron untuk menyebrang ke pita konduksi.

Pada suhu kamar sebagian besar atom donor terionisasi dan

elektronnya tereksitasi ke dalam pita konduksi. Sehingga jumlah

elektron bebas (elektron intrinsik dan elektron ekstrinsik) pada

semikonduktor tipe-n jauh lebih besar daripada jumlah hole (hole

intrinsik). Oleh sebab itu, elektron di dalam semikonduktor tipe-n

disebut pembawa muatan mayoritas, dan holedisebut sebagai pembawa

muatan minoritas.

b. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-p

10

Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor dengan bahan tak

murni akseptor, konduktivitasnya banyak dosebabkan oleh lubang

bermuatan positif. Semikonduktor tipe-p konsentrasi lubang lebih tinggi

dibandingkan elektron, hal ini dapat diperoleh dengan menambahkan

atom akseptor.

Pada Sidan Ge, atomnyaaseptor adalah unsur bervalensi tiga

(kelompok III pada susunan berkala) misalnya B (boron), Al

(alumunium), atau Ga (galium).

Karena unsur tersebut hanya memiliki tiga elektron valensi, maka

terdapat satu kekosongan untuk membentuk ikatan kovalen dengan atom

induknya. Atom tersebut akan mengikat elektron dari pita velensi yang

berpindah ke pita konduksi. Dengan penangkapan sebuah elektron

tersebut, atom akseptor akan menjadi ion negatip. Atomakseptor akan

menempati keadaan energi dalam energi gap di dekat pita valensi.

11

Pada semikonduktor tipe-p, atom dari golongan III dalam sistem

periodik unsur misalnya Ga, dibubuhkan kedalam kristal semikonduktor

intrinsik. Oleh karena galium termasuk golangan III dalam sistem

periodik unsur, atom Ga memiliki tiga buah elektron valensi. Akibatnya,

dalam berikatan dengan atom silikon di dalam kristal, Ga memerlukan

satu elektron lagi untuk berpasangan dengan atom Si. Oleh sebab itu

atom Ga mudah menangkap elektron, sehingga disebut akseptor. Jika ini

terjadi atom akseptor menjadi kelebihan elektron sehingga menjadi

bermuatan negatif. Dalam hal ini dikatakan atom akseptor terionkan. Ion

akseptor ini mempunyai muatan tak bebas, oleh karena tak bergerak

dibawah medan listrik luar. Ion Si yang elektronnya ditangkap oleh

atom akseptor terbentuk menjadi lubang, yang disebut lubang ekstrinsik.

Jelaslah bahwa pada semikonduktor tipe-p, lubang merupakan

pembawa muatan yang utama, sehingga disebut pembawa muatan

mayoritas. Disini elektron bebas merupakan pembawa muatan

minoritas.

c. Semikonduktor Paduan

12

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).

2.4. Penggunaan Bahan Semikonduktor

Semikonduktor merupakan terobosan dalam teknologi bahan listrik yang

memungkinkan pembuatan komponen elektronik dalam wujud mikro, sehingga

peralatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yang lebih kecil. Beberapa

komponen elektronik yang menggunakan bahan semikonduktor yaitu:

1. Dioda

13

Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar. Diode memiliki

banyak tipe dan tiap tipe memiliki fungsi dan karakteristik masing-masing.

Kata Diode berasal dari Di (Dua) Ode (Elektrode), jadi Diode adalah

komponen yang memiliki dua terminal atau dua electrode yang berfungsi

sebagai penghantar arus listrik dalam satu arah. Dengan kata lain diode

bekerja sebagai Konduktor bila beda potensial listrik yang diberikan dalam

arah tertentu (Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagai Isolator bila

beda potensial listrik diberikan dalam arah yang berlawanan (Bias Reverse)

Tipe dasar dari diode adalah diode sambungan PN.

2. Transistor

Transistor adalah komponen elektronik yang dibuat dari materi

semikonduktor yang dapat mengatur tegangan dan arus yang mengalir

melewatinya dan dapat berfungsi sebagai saklar elektronik dan gerbang

elektronik.

3. IC (Integated Circuit)

Integrated Circuit merupakan komponen elektronik yang terdiri atas

beberapa terminal transistor yang tergabung membentuk gerbang. Masing –

masing gerbang dapat dioperasikan sehingga membentuk logika tertentu yang

dapat mengendalikan pengoperasian suatu perangkat elektronik. Gabungan

dari beberapa buah IC dan komponen lain dapat diproduksi dengan

menggunakan bahan semikonduktor dalam bentuk chip. Chip multifungsi ini

kemudian dikenal sebagai mikroprosesor yang berkembang hingga sekaran

Macam-macam Semikonduktor dan Penggunaannya

14

Alasan utama bahan semikonduktor sangat berguna ialah bahwa perilaku

semikonduktor dapat dengan mudah dimanipulasi dengan penambahan doping.

Konduktiitas semikonduktor dapat dikendalikan oleh pengenalan medan listrik,

dengan paparan cahaya, dan bahkan tekanan dan panas, dengan demikian dapat

membuat sensor yang baik.

15

BAB 3. PENUTUP

3.1. Kesimpulan

1. Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada

di antara insulator (isolator) dan konduktor. Berdasarkan murni atau tidak

murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu

semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.

2. Klasifikasi Semikonduktor

a. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu

unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja.

b. Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ektrinsik adalah semikonduktor  yang telah terkotori (tidak

murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya dinamakan

3. Semikonduktor dapat digunakan untuk bahan komponen elektronika,

antaralain.

a. digunakan untuk diode

b. digunakan untuk transistor

c. digunakan untuk IC (Integated Circuit)

16

Daftar Pustaka

.

Arifin, Irwan. 2004. Elektronika I. Bandung: Gunadarma

Beizer, Arthur. 1982. Konsep Fisika Modern. Jakarta : Erlangga

Kittel, Charles. 2005. Introduction to Solid-State Physics 8th edition. New Jersey:

John Wiley and Sons Inc.

Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia

Smallman dan Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material..

Jakarta: Penerbit Erlangga

Suwitra, Nyoman. 1989. Pengantar Fisika Zat Padat. Jakarta: Departemen

Pendidikan dan Kebudayaan

17