A. TEORI ATOM
Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron, serta neutron. Inti atom adalah sebagian besar massa atom dan semua muatan positif berkumpul pada sebuah titik di tengah-tengah atom. Atom terdiri atas nukleus dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitar nukleus yang menyerupai sistem tata surya. Nuklesu tersebut bermuatan positif dan merupakan inti atom, yang menjadi pusat hampir semua massa atom. Inti atom tersebut berisi proton dan neutron, dengan massa kira0kira 2000 kali massa elektron, sedangkan massa proton sama dengan massa neutron.
Elektron memiliki sifat tarik menarik dengan proton dan tolak menolak dengan sesama elektron. Dari dal ini maka timbul konsep muatan listrik. Elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif, dan neutron tidak bermuatan atau netral.
Menurut Niels Bohr (1913), elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom.
Atom dan lingkaran orbit elektron
K, L, M, N, O, P, Q adalah kulit atau orbit elektron. Pada setiap kulit elektron hanya bergerak elektron-elektron dengan jumlah elektron maksimum. Jumlah elektron maksimum kulit K adalah 2, kulit L adalah 8, kulit M adalah 18, dst.
B. STRUKTUR ATOM BAHAN SEMIKONDUKTOR
Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.
Susunan elektron pada beberapa atom:
NAMA UNSUR LINGKARAN ORBIT JUMLAH ELEKTRON ELEKTRON VALENSI
K L M N O P Q
born 2 3 - - - - - 5 3
alumunium 2 8 3 - - - - 13 3
silikon 2 8 4 - - - - 14 4
fosfor 2 8 5 - - - - 15 5
galium 2 8 18 3 - - - 31 3
germanium 2 8 18 4 - - - 32 4
arsenikum 2 8 18 5 - - - 33 5
indium 2 8 18 18 3 - - 49 3
antimon 2 8 18 18 5 - - 51 5
barium 2 8 18 18 8 2 - 56 2
Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi.
C. Semikonduktor Intrinsik dan Ekstrinsik
Suatu kristal Silikon yang murni, dimana setiap atomnya adalah atom Silikon saja, disebut sebagai semikonduktor intrinsik. Untuk kebanyakan aplikasi, tidak terdapat pasangan elektron-hole yang cukup banyak didalam suatu semikonduktor intrinsik untuk dapat menghasilkan arus yang berguna. Doping adalah penambahan atom-atom impuritas pada suatu kristal untuk menambah jumlah elektron maupun hole. Suatu kristal yang telah di-dop disebut semikonduktor ekstrinsik. Untuk memperoleh tambahan elektron pada jalur konduksi, diperlukan atom pentavalent. Atom pentavalen ini juga disebut sebagai atom donor. Setelah membentuk ikatan kovalen dengan tetangganya, atom pentavalen ini mempunyai kelebihan sebuah elektron, yang dapat beredar pula pada jalur konduksi, seperti pada Gambar 9. Sehingga terbentuk jumlah elektron yang cukup banyak dan jumlah hole yang sedikit. Keadaan ini diistilahkan dengan elektron sebagai pembawa mayoritas dan hole sebagai pembawa minoritas. Semikonduktor yang di-doping seperti ini disebut dengan semikonduktor type-n.
semikonduktor-n
Gambar 9. Semikonduktor type-n.
Demikian pula jika semikonduktor di-doping bahan trivalent, atau atom akseptor, akan terbentuk jumlah hole pada jalur valensi yang banyak. Maka, akan terbentuk keadaan dimana hole menjadi pembawa mayoritas dan elektron menjadi pembawa minoritas. Semikonduktor ini disebut semikonduktor type-p. Gambar 10. memperlihatkan struktur semikonduktor type-p dengan akseptornya.
semikonduktor-p
Gambar 10. Semikonduktor type-p.
D. SIFAT KONDUKTOR, ISOLATOR, DAN SEMIKONDUKTOR PADA PEMBUATAN KOMPONEN ELEKTRONIKA
Konduktor adalah bahan yang konduktivitasnya tinggi sehingga dapat mengalirkan listrik dengan baik. Konduktor sering disebut dengan penghantar karena dapat menghantarkan arus listrik. Contoh, tembaga, seng, alumunium, baja, dsb.
Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik karena konduktivitasnya rendah. Contoh, plastik, kayu kering, karet, kain, dll.
Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll.
Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu:
1. jalur valensi
Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan ato-atom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi.
2. jalur konduksi
Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik.
3. jalur larangan
Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.
Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule.
Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.
E. ARUS PADA SEMIKONDUKTOR
Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi.
Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik.
Arus difusi adalah arus yang tidak disebabkan oleh adanya perbedaan tegangan, melainkan akibat gerak random dari pertikel-partikel bermuatan yang disebabkan oleh energi panas. Contohnya adalah elektron mengalir dari suatu tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai dicapainya suatu keseimbangan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar