Pengertian Semikonduktor, Jenis dan Penggunaannya Lengkap

TAMBANGILMU.COM - Di kehidupan sehari-hari pasti sudah terbiasa dengan penggunaan alat elektronik. Di dapur, di ruang keluarga, di kamar, bahkan di tempat umum pun sudah banyak yang menggunakan alak elektronik. Alat elektronik menggunakan suatu komponen yang disebut semikonduktor agar alat elektronik tersebut dapat bekerja dengan baik. Pada kesempatan kali ini admin tambangilmu akan membahas tentang pengertian semikonduktor, strukturnya, jenisnya, manfaat, serta contoh penggunaannya yang akan di jelasnya secara lengkap dan mudah untuk di mengerti.


PENGERTIAN SEMIKONDUKTOR

Kebanyakan konponen-komponen elektronik dibuat dari kristal khusus yang disebut Semikonduktor. Empat peralatan semikonduktor yang paling umum digunakan adalah diode, transistor, tirister, dan rangkaian terintegrasi (Integrated Circuit, IC).

Semikonduktor juga digunakan untuk sensor panas (termistor) dan sensor cahaya (light-sensing). Istilah Semikonduktor digunakan untuk menjelaskan bahwa karakteristik material tersebut berada diantara isolator dan konduktor. Semikonduktor murni dapat bekerja sebagai konduktor atau sebagai isolator, tergantung pada temperatur sekelilingnya. Material semikonduktor yang paling umum digunakan adalah silikon (Si) dan germanium (Ge), dan diantara keduanya silikon lebih banyak digunakan karena lebih murah dan lebih mudah didapatkan.


Struktur Atom Semikonduktor

Atom dibentuk oleh 3 partikel bebas, yaitu elekron (bermuatan negatif), proton (bermuatan positif), dan neutron (netral). Proton dan neutron menempati inti, sedang elektron berada pada shell-shell mengelilingi inti. Sifat suatu material ditemtukan oleh jumlah elektron pada shell terluarnya. Atom semikonduktor memiliki 4 elektron pada shell terluarnya.



Atom-atom semikonduktor dalam bentuk padatan tersusun secara teratur mengikuti pola tertentu yang disebut kristal atau struktur latis (lattice structure). Atom paling stabil bila memiliki 8 elektron pada shell terluar atau 2 elektron pada shell terluar bila atom hanya memiliki 1 shell. Elektron yang menempati shell terluar disebut juga elektron valensi. Dalam kristal silikon/germanium murni, agar memiliki konfigurasi elektron yang stabil, atom-atomnya akan cenderung saling meminjamkan elektronnya membentuk suatu ikatan yang disebut ikatan kovalen.


Jenis Semikonduktor

1. Semikonduktor Intrinsik, dibuat tanpa memambahkan atom-atom impuritas, sehingga jumlah elektron sama dengan jumlah lubang (hole) yang ditinggalkan elektron ketika elektron bergerak dan energi tambahan yang dibutuhkan untuk meningkatkan konduktovitasnya relatif besar.


Perbedaan antara semikonduktor dan isolator adalah pada ukuran sela energi terlarang. Pada semikonduktor, besar sela energi yang sempit menyebabkan elektron dapat melompat ke pita konduksi yang kosong. Si dan Ge murni memiliki sifat sebagai semikonduktor intrinsik. Energi sela Eg antara pita valensi dan pita konduksi dalam semikonduktor adalah kecil, sehingga bila beberapa elektron memiliki energi termal yang cukup, maka akan dapat melompati sela dan masuk ke dalam pita konduksi.

Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi dapat mengantarkan muatan, karena elektron yang terletak di bagian yang lebih dalam dari pita dapat bergerak ke atas mengisi lubang yang dikosongkan tadi. Bila suatu tegangan dikenakan pada suatu material semikonduktor, maka elektron pada pita konduksi bergerak ke lektrode positif, sedang lubang pada pita valensi bergerak ke elektrode negatif. Dengan demikian arus yang dihasilkan merupakan gabungan dari gerakan elektron dan gerakan lubang. Konduktivitas yang dihasilkan oleh sejumlah pasangan elektron dan lubang adalah:

Dimana :


Dalam semikonduktor intrinsik :
n = nn = np
Sehingga :
Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar dari pada mobilitas lubang dalam semikonduktor yang sama ( µn = µp )

Sumber energi yang dapat meningkatkan konduktivitas suatu semikonduktor intrinsik :
  • Energi panas,
  • Energi cahaya (foton),
  • Energi elektron berkecepatan tinggi,

Energi Panas :
Logam akan mengalami kenaikan tahanan dan penurunan konduktivitas bila suhu meningkat, tetapi sebaliknya konduktivitas semikonduktor intrinsik meningkat dengan naik nya suhu.

Konduktivitas : 

dimana :
σo = konstanta pembanding yang mencakup faktor-faktor q dan µ;
k   = konstanta Boltzman 
T   = temperatur absolut

Persamaan Konduktivitas dapat pula dituliskan :
Jadi persamaan di atas dapat dilihat bahwa σ meningkat bila T meningkat.

Energi cahaya (foton) : berupa sinar infra merah.
  • Suatu foton dapat memacu elektron agar melompati sela energi, sehingga dihasilkan sepasang elektron konduksi dan lubang valensi sebagai pembawa muatan;
  • Bila energi berkurang, pasangan elektron-lubang akan bergabung kembali;
  • Pada saat elektro turun melalui sela, energi dibebaskan dalam bentuk energi cahaya (foton).


2. Semikonduktor Ekstrinsik, dibuat dengan menambahkan atom-atom impuritas, sehingga jumlah elektron tidak sama dengan jumlah lubang dan energi tambahan yang dibutuhkan untuk meningkatkan konduktivirtasnya relatif kecil .

Proses penambahan impuritas  ke kristal untuk mennambah struktur nya disebut doping, sedangkan impuritas yang ditambahkan disebut dopant. Konduktivitas semikonduktor ekstrinsik tergantung pada jumlah impuritas yang ditambahkan. Terdapat dua jenis material semikonduktor ekstrinsik, yaitu material jenis N dan material jenis P.

Material jenis-N
Untuk menghasilkan material jenis-N, dilakukan dengan menambahkan atom elemen yang memiliki elektron valensi yang lebih banyak daripada kristal semikonduktornya. Sebagai contoh atom arsenik (Ar) dengan elektron valensi lima ditambahkan ke silikon murni. Empat dari lima elektron valensi arkenik akan bergabung dalam ikatan kovalen dengan atom-atom silikon. Dalam hal ini akan terdapat satu elektron atom arsenik yang masih bebas bergerak disekitar kristal, sehingga elektron ini disebut elektron bebas. Impuritas yang ditambahkan tersebut akan menghasilkan beberapa elektron bebas yang akan menolong pergerakan arus dan disebut pembawa.

Elemen yang umum digunakan untuk membuat materisl jenis-N adalah arsenik, bismuth, dan antimoni. Jumlah impuritas yang diyambahkan umumnya berkisar antara sepermiliard hingga seperjuta dari jumlah kristal semikonduktornya. Dengan mengendalikan jumlah impuritas dalam kristal, maka dapat dibuat semikonduktor sesuai dengan karakteristik pengoperasian yang dikehendaki. Atom dopant yang dapat digunakan untuk membentuk material jenis-N disebut pentavalent, yang memiliki 5 elektron valensi. Material dopant yang digunakan disebut impuritas donor karena elektron bebas dalam atom dopant dapat dengan mudah diterima oleh kristal semikonduktor. Bila material jenis-N dihubungkan kedalam rangkaian listrik, maka akan terjadi hubungan listrik dalam arti elektron bebas akan berfungsi sebagai konduktor logam. Semakin banyak atom impuritas yang ditambahkan, semakin baik konduktivitasnya.

Material Jenis-P
Material jenis-P dapat dihasilkan dengan menambahkan atom-atom elemen yang memiliki elektron dalam shell terluar lebih sedikit dibandingkan kristal natural semikonduktor. Sebagai contoh, suatu atom Galium (Ga) dengan tiga elektron valensi ditambahkan ke silikon murni. Dalam kondisi ini, ketiga elektron valensi galium akan berhubungan dengan elektron valensi atom silikon dengan ikatan kovalen. Tetapi ikatan ini belum lengkap; masih dibutuhkan satu elektron yang lain untuk melengkapi struktur ikatan kovalen. Dengan demikian akan terbentuk ruang atau lubang (hole) dalam shell valensi atom galium. Shell valensi ini akan dapat dengan mudah menerima elektron ke dalam lubang.

Shell valensi yang tidak lengkap tersebut akan bertindak sebagai ion positif walaupun atom-atom nya netral. Oleh karena itu material ini disebut material jenis-P. Elemen yang umum digunakan untuk membuat material jenis-P adalah galium, boron, dan indium. Dalam material jenis-P, lubang berfungsi sebagai pembawa. Bila suatu tegangan diberikan, lubang akan diisi oleh elektron bebas, sehingga elektron akan bergerak dari potensial negatif, ke potensial positif melalui kristal. Pergerakan elektron dari satu lubang ke lubang berikutnya menyebabkan timbulnya pergerakan lubang. Aliran lubang sama berlawanan arah dengan aliran elektron. Atom-atom dopant yang digunakan untuk membentuk kristal jenis-P disebut trivalent, karena memiliki 3 elektron valensi dan material dopant yang digunakan disebut impuritas penerima (acceptor). Perlu dicatat bahwa formasi kristal jenis-N dan jenis-P, elektron dan protonnya selalu memiliki jumlah muatan sama dengan polaritas yang berlawanan. Kristal tidak pernah kelebihan atau kekurangan elektron sebagai proses penambahan dan tetap netral secara kelistrikan.


Perbedaan Antara Semikonduktor Intrinsik dengan Semikonduktor Ekstrinsik :

 Intrinsik
  • Dibuan tanpa menambahkan atom-atom impuritas;
  • Jumlah elektron sama dengan jumlah lubang;
  • Energi tambahan yang dibutuhkan untuk meningkatkan konduktivitasnya relatif besar.


Ekstrinsik
  • Dibuat dengan menambahkan atom-atom impuritas;
  • Jumlah eketron tidak sama dengan jumlah lubang;
  • Energi tambahan yang dibutuhkan untuk meningkatkan konduktivitasnya relatif kecil.


Peralatan Elektronika yang Menggunakan Semikonduktor :

 Alat Konduksi dan Tahanan
  • Pengindraan cahaya (lightsensing), konduktivitas alat ini tergantung pada intensitas sinar datang, dapat berupa sinar ultraviolet atau inframerah, asalkan foton memiliki energi yang setara atau lebih besar daripada sela energi;
  • Termistor, merupakan suatu semikonduktor dengan tahanan yang telah dikalibrasi terhadap temperatur, sehingga dapat digunakan untuk mencatat temperatur sebesar 10⁻⁴°C yang biasa digunakan untuk penelitian mikrokalorimetri meliputi reaksi kimia atau reaksi biologi.


Alat junction (diode)
  • Diode, yaitu peralatan yang menggunakan sambungan antara semikonduktor jenis-N dan jenis-P
  • Diode pemancar cahaya (light emitting diode/LED), banyak digunakan pda display digital seperti kalkulator
  • Penyearah arus, yaitu untuk merubah arus bolak-balik menjadi arus searah (direct current).

 Transistor
  • Digunakan untuk memperkuat sinyal yang lemah menjadi besaran yang lebih kuat dan dapat dimanfaatkan.
  • Tranisistor efek medan (field-effect transistor/FET).
  • Transistor junction jenis PNP dan NPN.


Demikian penjelasan tentang Pengertian Semikonduktor, Jenis dan Penggunaannya Lengkap. Semoga artikel di atas bermanfaat.

Baca juga