SEMIKONDUKTOR INTRINSIK & EKSTRINSIK

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK & EKSTRINSIK

PENGERTIAN.

1.Semikonduktor intrinsik adalah bahan semikonduktor murni (belum diberi campuran/pengotoran) dimana jumlah electron bebas dan holenya adalah sama sehingga memungkinkan perpindahan muatan.

Perpindahan muatan pada umumnya terjadi karena duasebab yaitu : karena adanya perpindahan elektron bebasdan karena adanya perpindahan hole (lubang), kedua-duanya bisa terjadi bersama-sama. Dalam semikonduktor jenis intrinsic karena banyaknya elektron bebas sama dengan banyaknya hole yang terjadi. Selain itu konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas.

CONTOH :

   Germanium (Ge) dan Silicon (Si) mempunyai 4 elektron valensi.

Lintasan valensi memerlukan 8 elektron agar atom menjadi stabil.   Ikatan antar atom diperkuat dengan membagi (sharing) elektron-elektron terluar à Ikatan Kovalen (covalent bonds).

2.Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping),Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktortipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawamuatan elektron).

CONTOH  :

Phosporus (P), Arsenic (As)

Atom pengotornya disebut atom donor

 Pembawa muatan disebut elektron

 Pengotoran oleh atom trivalent yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 3 elektron valensi

Contoh : Boron (B), Galium (Ga)

Atom pengotornya disebut atom akseptor.

 Pembawa muatan disebut hole.

3. PERBEDAANNYA :

Semikonduktor intrinsik belum diberi campuran/pengotoran sedangkan semikonduktor ekstrinsik dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping).

 

 

ALAT-ALAT SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah  sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. 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.

1.ALAT-ALAT SEMIKONDUKTOR

a.)    Transistor

Piranti tiga terminal atau lebih dikenal sebagai “transistor”.
 Terdapat dua jenis transistor yaitu :
 1. Transistor bipolar atau BJT (bipolar junction transistor)
 2. Transistor unipolar atau  FET (field-effect transistor).
Dibandingkan dengan FET, BJT dapat memberikan penguatan yang jauh lebih besar dan tanggapan frekuensi yang lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan mayoritas maupun  muatan minoritas mempunyai peranan yang sama pentingnya.

Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis n-p-n dan jenis p-n-p. Untuk jenis n-p-n, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n.
Tanda panah pada gambar  menunjukkan kaki emitor dan titik dari material tipe-p ke material tipe-n. Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri dari dua sambungan p-nyang berperilaku seperti diode. Setiap diode dapat diberi panjar maju atau berpanjar mundur, sehingga transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian.
Untuk struktur planar (gambar), suatu lapisan tipe-n dengan tingkat doping rendah ditumbuhkan di atas substrat n+ (tanda + menunjukkan tingkat doping sangat tinggi). Setelah melalui proses oksidasi pada permukaan, sebuah jendela (window) dibuka dengan proses penggerusan (etching) dan suatu pengotor (p) dimasukkan ke kristal dengan proses difusi untuk membentuk sambungan (junction). Sekali lagi setelah melalui reoksidasi, sebuah jendela kecil dibuka untuk proses difusi pembentukan daerah emitor (n).

Secara konvensional simbol transistor n-p-n diperlihatkan pada gambar -c dilengkapi dengan tanda panah pada emitor yang menunjukkan aliran muatan positif. Walaupun sebuah transistor n-p-n akan bekerja dengan kedua daerah n dapat berfungsi sebagai emitor, namun karena kedua daerah mempunyai tingkat doping dan geometri yang berbeda, maka daerah nyang dimaksud harus diberi label.

b.)    DiodaDioda merupakan salah satu komponen elektronika yang termasuk komponen aktif. Dibawah ini merupakan gambar yang melambangkan dioda penyearah.

P          N

Anoda          Katoda

Sisi P disebut Anoda dan sisi N disebut Katoda. Lambang dioda seperti anak panah yang arahnya dari sisi P ke sisi N. Karenanya ini mengingatkan kita pada arus konvensional mudah mengalir dari sisi P ke sisi N.

Dalam pendekatan dioda ideal, dioda dianggap sebagai sebuah saklar tertutup jika diberi bias forward dan sebagai saklar terbuka jika diberi bias reverse. Artinya secara ideal, dioda berlaku seperti konduktor sempurna (tegangan nol) jika dibias forward dan seperti isolator sempurna (arus nol) saat dibias reverse.

Untuk pendekatan kedua, dibutuhkan tegangan sebesar 0,7 V sebelum dioda silikon konduksi dengan baik. Dioda dapat digambarkan sebagai suatu saklar yang diseri dengan tegangan penghambat 0,7 V. Apabila tegangan sumber lebih besar dari 0,7 V maka saklar akan tertutup. Sebaliknya apabila tegangan sumber lebih kecil dari 0,7 V maka saklar akan terbuka.

Dalam pendekatan ketiga akan diperhitungkan hambatan bulk (RB). Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga ini adalah sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan 0,7 V dan hambatan RB. Saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7 V maka dioda akan menghantar dan tegangan akan naik secara linier dengan kenaikan arus. Semakin besar arus, akan semakin besar tegangan dioda karena tegangan ada yang jatuh menyeberangi hambatan bulk.

c.)     Mikroprosesor
Mikroprosesor adalah sebuah IC (Integrated Circuit) yang digunakan sebagai otak/pengolah utama dalam sebuah sistem computer. Mikroprosesor merupakan hasil dari pertumbuhan semikonduktor.

d.)   Thermistor
Sebuah thermistor dibuat dari bahan semikonduktor. Komponen ini dapat dibuat dalam bentuk piringan, batangan, atau butiran. Thermistor butiran dapat memiliki ukuran diameter yang hanya beberapa milimeter. Pada beberapa thermistor butiran, butir semikonduktor dibungkus oleh sebuah kapsu kaca.Thermistor  digunakan di dalam rangkaian-rangkaian pengukur suhu atau yang memberikan tanggapan-tanggapan tertentu terhadap perubahan suhu. Kompnen ini juga dapat digunakan dalam yang akan mengalami gangguan-gangguan, atau bahkan kerusakan, akibat perubahan suhu. Thermistor secara otomatis akan bekerja untuk menetralkan efek perubahan suhu.

e.)     Sel surya

Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf).
Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon. Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon.

 

1. Definisi Semokonduktor intrinsic dan semikonduktor ekstrinsik :

Semikonduktor intrinsik adalah bahan semikonduktor murni (belum diberi campuran/pengotoran) dimana jumlah electron bebas dan  holenya adalah sama sehingga memungkinkan perpindahan muatan. Perpindahan  muatan pada umumnya  terjadi karena dua sebab yaitu : karena adanya perpindahan elektron bebas dan karena adanya perpindahan hole (lubang), kedua-duanya bisa terjadi bersama-sama. Dalam semikonduktor jenis intrinsic karena  banyaknya elektron bebas sama dengan banyaknya hole yang terjadi. Selain itu konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas.

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping), Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawa muatan elektron).

SEMIKONDUKTOR TIPE N

Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada Gambar 1.

SEMIKONDUKTOR TIPE P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p. Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium. Struktur kisi-kisi Kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 2.

1. Definisi Kristal tunggal dan polikristal :

Kristal tunggal juga disebut sebagai monokristalin, yaitu suatu padatan kristal yang mempunyai kisi kristal yang susunannya teratur secara kontinyu dan kisi-kisi kristal yang membentuk bingkai tersebut tidak rusak atau tetap strukturnya (Liu Z. and Stavrinadis, A, 2008). Menurut Milligan (1979), kristal tunggal adalah suatu padatan yang atom-atom dalam molekul-molekulnya diatur dalam keterulangan dimana sebagian padatan kristal tersusun dari jutaan kristal tunggal yang disebut grain.

Polikristal adalah material yang tersusun oleh banyak  kristal kecil atau butiran.Umumnya logam merupakan bentuk polikristal

Contoh unsure atau komposit berbentuk Kristal tunggal dan polikristal

UNSUR (KRISTALTUNGGAL)	STRUKTUR	UNSUR (POLYKRISTAL)	STRUKTUR
C	diamond	Cl2	Complex
Si	diamond	Br2	Complex
Ge	diamond	I2	Complex
Sn	diamond	O2	Complex
H	hcp	Ga	Complex
Be	hcp	Sm	Complex
Sc	hcp	U	Complex
Zr	hcp	Np	Complex
He	hcp	Pu	Complex
Co	hcp	Mn	Cubic complex

Wyckoff, Vol.1, chap 2 Crystal structures of the elements

1. Karakteristik band gap semikonduktor dalam kemurnian dan tidak kemurnian

Diagram pita energi untuk material semikonduktor mirip dengan material isolator akan tetapi berbeda pada lebar celah energi-nya. Celah energi pada semikonduktor hanya sekitar 1 eV. Germanium dan silikon adalah material semikonduktor.

Semikonduktor tanpa dopping

Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d104s24p2 dan Si [Ne] 3s2 3p2; kedua macam atom ini memiliki 4 elektron di tingkat energi terluarnya. Tumpang-tindih pita energi di tingkat energi terluar akan membuat pita energi terisi penuh 8 elektron. Fermi energi EF adalah pada titik tengah celah energi  (<1 eV) antara konduksi dan valensi band. 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 Gb.3. 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 temperature 

Dopping pada Semikonduktor

1. Donor dopan dalam Semiconductor

Buat semikonduktor pengotor dengan menambahkan sejumlah kecil bahan lain disebut dopan (group III atau kelompok V dopan untuk Si). Untuk Si elemen, kelompok V misalnya antimoni (Sb) "menyumbangkan" elektron dan membuat tipe-n Si "Extra" elektron (5 e-As vs 4 e-untuk Si) adalah lemah terikat, dengan tingkat energi tepat di bawah pita konduksi (tingkat donor). Elektron dengan mudah dapat dipromosikan ke pita konduksi, sangat meningkatkan konduktivitas listrik (dengan meningkatkan kerapatan pembawa n).

Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat electron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silicon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak mendapatkan pasangan. Oleh karena itu  ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi lemah dan mudah menjadi elektron bebas. Karena setiap atom depan ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya. Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya. Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole) semakin meningkat. Sehingga jumlah holenya menurun. Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat digambarkan seperti pada Gambar 4. Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor sangat kecil yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium. Oleh karena itu pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan menjadi electron bebas.

1. Penerima dopan dalam Semiconductor

Untuk Si, kelompok elemen III (misalnya Ga) "menerima" elektron dan membuat tipe-p Si "Hilang" elektron (3 e-of Ga vs 4 e-untuk Si) menghasilkan sebuah "lubang" ekstra, dengan tingkat energi yang tepat di atas pita valensi (akseptor tingkat). Lubang dapat dengan mudah terbentuk di pita valensi, sangat meningkatkan konduktivitas listrik.

1. Mekanisme diagram fasa semikonduktor yang dibentuk melalui proses fisis :

Diagram Fasa merupakan peta jalan (road maps) untuk melakuan sintesis.Sebagai pedoman untuk menghasilkan karakteristik bahan yang dituju, karena proses sintesis pada umumnya akan menghadirkan ragam fase yang lain. Setiap system memiliki diagram fase yang khas. Salah satu variabel penting dalam membentuk fase tertentu adalah perbandingan komponen dalam system tersebut yang dinyatakan dengan :

* Prosentase berat ( % berat )

* Prosentase mol  /  fraksi mol

Silikon,  ₁₄Si

Nama, simbol	silikon, Si
Pengucapan	/ˈsɪlᵻkən/ SIL-ə-kən or /ˈsɪlᵻkɒn/ SIL-ə-kon
Penampilan	kristalin
Silikon di tabel periodik
C ↑ Si ↓ Ge aluminium ← silikon → fosforus
Nomor atom (Z) 14	Proton :14 Elektron :14 Neutron: 14
Golongan, blok	golongan 14 (golongan karbon), blok-p
Periode	periode 3
Kategori unsur	metaloid
Bobot atom standar (±) (Ar)	28.0855(3)
Konfigurasi elektron	[Ne] 3s2 3p2
per kelopak	2, 8, 4

Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14. Senyawa yang dibentuk bersifat paramagnetik. Unsur kimia ini ditemukan oleh Jöns Jakob Berzelius. Silikon merupakan unsur metaloid tetravalensi, bersifat lebih tidak reaktif daripada karbon (unsur nonlogam yang tepat berada di atasnya pada tabel periodik, tetapi lebih reaktif daripada germanium, metaloid yang berada persis di bawahnya pada tabel periodik. Kontroversi mengenai sifat-sifat silikon bermula sejak penemuannya: silikon pertama kali dibuat dalam bentuk murninya pada tahun 1824 dengan nama silisium (dari kata bahasa Latin: silicis), dengan akhiran -ium yang berarti logam. Meski begitu, pada tahun 1831, namanya diganti menjadi silikon karena sifat-sifat fisiknya lebih mirip dengan karbon dan boron.
Silikon merupakan elemen terbanyak kedelapan di alam semesta dari segi massanya, tetapi sangat jarang ditemukan dalam bentuk murni di alam. Silikon paling banyak terdistribusi pada debu, pasir, planetoid, dan planet dalam berbagai bentuk seperti silikon dioksida atau silikat. Lebih dari 90% kerak bumi terdiri dari mineral silikat, menjadikan silikon sebagai unsur kedua paling melimpah di kerak bumi (sekitar 28% massa) setelah oksigen.^[7]
Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikone.
Silikon dalam bentuk mineral dikenal pula sebagai zat kersik.

Si ; nomor atom 14 ; nomor massa 28 ; elektron dan proton 14 ; neutron 14. 

Galium,  ₃₁Ga

Sifat umum
Nama, simbol	galium, Ga
Pengucapan	/[unsupported input]ˈɡæliəm/ GAL-ee-əm
Penampilan	abu-abu putih
Galium di tabel periodik
Al ↑ Ga ↓ In seng ← galium → germanium
Nomor atom (Z)	31
Golongan, blok	golongan 13, blok-p
Periode	periode 4
Kategori unsur	logam miskin
Bobot atom standar (±) (Ar)	69.723(1)
Konfigurasi elektron	[Ar] 4s2 3d10 4p1
per kelopak	2, 8, 18, 3

Gallium adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Ga dan nomor atom 31. Sebuah logam miskin yang jarang, dan lembut, gallium merupakan benda padat yang mudah melebur pada suhu rendah namun mencair lebih lambat di atas suhu kamar dan memang akan melebur di tangan. Terbentuk dalam jumlah sedikit dalam bauksit dan bijih seng. Penerapan pentingnya ialah dalam senyawa galium arsenida, digunakan sebagai semikonduktor, terutama dalam diode pemancar cahaya.
proton = elektron = nomor atom = 31
neutron = 70-31 = 39




Germanium adalah unsur kimia dengan simbol Ge dan nomor atom 32. Germanium adalah metaloid berkilau, keras, berwarna abu-abu keputihan dalam golongan karbon, secara kimiawi bersifat sama dengan unsur segolongannya timah dan silikon. Germanium murni adalah semikonduktor, dengan penampilan hampir sama dengan unsur silikon. Germanium, sama halnya dengan silikon, secara alamiah bereaksi dan membentuk senyawa kompleks dengan oksigen di alam. Berkebalikan dengan silikon, germanium terlalu reaktif untuk ditemukan secara alami di Bumi dalam bentuk bebasnya.
Karena sangat sedikit mineral yang berkandungan tinggi, germanium ditemukan cukup terlambat dalam sejarah kimia. "Logam" germanium (germanium terisolasi) dipakai sebagai semikonduktor di dalam transistor dan berbagai perangkat elektronik lainnya. Germanium tidak dianggap sebagai unsur yang esensial untuk semua organisme hidup

Jumlah proton adalah sama dengan nomor atom yaitu 32, sedangkan elektron=nomor atom+ion negatif=32+4=36. Neutron=nomor massa-proton=73-32=41.
Jadi P=32 E=36 N=41
Konfigurasi elektronnya adalah 2.8.18.8

 

Germanium,  ₃₂Ge

Sifat umum
Nama, simbol	germanium, Ge
Pengucapan	/dʒərˈmeɪniəm/ jər-MAY-nee-əm
Penampilan	putih keabuan
Germanium di tabel periodik
Si ↑ Ge ↓ Sn galium ← germanium → arsen
Nomor atom (Z)	32
Golongan, blok	golongan 14 (golongan karbon), blok-p
Periode	periode 4
Kategori unsur	metaloid
Bobot atom standar (Ar)	72.63(1)
Konfigurasi elektron	[Ar] 3d10 4s2 4p2
per kelopak	2, 8, 18, 4