Tugas Kelompok Ilmu Bahan

“BAHAN SEMIKONDUKTOR”

DI SUSUN OLEH :

KELOMPOK 2

1. KHAIRUNNISA PATSAL 321 11 031

2. KIKI RESKI ANDRIANI 321 11 032

3. MUHAMMAD ARSIL 321 11 033

4. MUHAMMAD SYIFAAI 321 11 034

IB TEKNIK LISTRIK

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

MAKASSAR 2012

BAB I

PENDAHULUAN

Bahan semikonduktor ( setengah penghantar ) adalah bahan selain penghantar dan penyekat

yang pada temperatur mutlak yaitu pada 0 K. Dalam keadaan murninya mempunyai sifat

sebagai penyekat ; sedangkan pada temperatur kamar ( 27 ˚ C ) dapat berubah sifatnya

menjadi bahan penghantar. Bahan yang dapat berubah sifat kelistrikannya apabila

temperatunya berubah-ubah. Istilah semikonduktor dipergunakan untuk zat dengan tahanan

jenis dalam selang harga antara 10-5 sampai 105 ohm-meter.

Penggolongan zat menurut tahanan jenis disertakan dalam tabel:

Kategori Tahanan jenis Ohm-meter

Isolator 105 - 1017

Semikonduktor 10-5 - 105

Logam dan semi-logam 10-8 – 10-5

Setelah piranti elektronik dasar terbuat dari kristal semikonduktor yang dikenal sebagai

transistor yang dibuat oleh Bardeen dkk (1954), minat ilmuwan untuk mempelajari sifat

semikonduksi bahan padat meningkat tajam.

BAB II

TEORI

1. Pengertian Umum

Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor

murni. Bahan - bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang

baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat

bergerak bebas. 

Sebuah atom tembaga (Cu) memiliki inti 29 ion positif (+) dikelilingi oleh 29 elektron

(-).  Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang  disebut

nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-

elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar. 

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan

elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya

tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah

terlepas dari ikatannya. 

2. Tabel periodic semikonduktor

3. Bahan pembentuk semikonduktor

Bahan pembentuk semikonduktor yaitu :

- Germanium

Konduktivitas tinggi

Digunakan untuk dioda dan transistor

daya rendah dan sedang

- Silikon

Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect

bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita

valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi

eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada

nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan

momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada

semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini

menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik.

Ciri-ciri silicon :

Konduktivitas lebih rendah dari Germanium

Digunakan untuk dioda dan transistor daya tinggi

Ketahanan termal lebih tinggi daripada Germanium

- Galium Arsenide

GaAs adalah material semikonduktor dengan struktur pita energy langsung (direct

bandgap), dimana, nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita

valensi bertemu pada satu harga momentum yang sama. Pada material ini electron

bebas pada minimum pita konduksi dapat melakukan rekombinasi denganhole di

maksimum pita valensi, karena momentum dari kedua “partikel” sama, maka, foton

dapat diemisikan sebagai konsekuensi dari hokum konservasi energy. Memiliki sifat-

sifat yang dapat diatur mengikuti sifat Germanium dan Silikon

4. Struktur Kristal dan Muasal Sifat Semikonduksi pada Germanium dan Silikon

Germanium (Ge) dan Silikon (Si) berstruktur intan. Tetangga terdekat setiap atom

berjumlah empat buah (bilangan koordinat: 4). Ditunjukkan dalam sketsa di bawah.

Ikatan kovalen antara atomnya membentuk kristal Ge dan Si. Setiap atom saling

berbagi & menerima 4 elektron kulit terluarnya dengan 4 tetangga yang terdekat.

Bilamana suhu kristal ditingkatkan maka akan naik pula kebolehjadian terlepasnya

elektron ikatan. Artinya konsentrasi elektron bebas naik. Hal ini menerangkan

mengapa tahanan jenis menurun apabila suhu kristal dinaikkan.

Dalam diagram energi, ionisasi elektron ikatan dipresentasikan dengan perpindahan

satu elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Tempat kosong yang ditinggalkan di

pita valensi merupakan suatu hole.

Dalam proses de-ionisasi elektron bebas, elektron bergabung kembali dengan hole di

pita valensi. Energi sebesar 1,8 eV hilang diserap kristal. Karena proses itu, satu

elektron bebas di pita konduksi dan satu hole di pita valensi sirna.

5. Resistivitas bahan semikonduktor

6. Ikatan atom tembaga

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan

energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak,

semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1

dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya

memiliki 4 elektron valensi.  

7. Ciri fisik utama bahan semikonduktor dan pengukuran untuk mengetahui sifat

dasar bahan semikonduktor

Ciri fisik utama bahan semikonduktor, antara lain :

- Selang harga tahanan jenis 10-5 – 105 ohm-meter

- Tahanan jenis menurun dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 1; sedang tahanan

jenis logam meningkat dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 2.

- Tahanan jenis semikonduktor sangat dipengaruhi oleh ketidakmurnian kimiawi di

dalamnya, cahaya yang menyinarinya, medan listrik, dan medan induksi magnetik.

- Pengukuran koefisien Hall dan tahanan jenis memberikan pembawa muatan yang

berpolaritas negatif (elektron) dan positif.

Pengukuran untuk mengetahui sifat dasar bahan semikonduktor, menyangkut :

Tahanan jenis (atau konduktivitas listrik σ)

Konsentrasi, polaritas, dan mobilitas pembawa muatan listrik, (melalui pengukuran

koefisien Hall dan hasil pengukuran konduksi).

Penentuan jurang energi.

8. Jenis – jenis semikonduktor

Berdasarkan tingkat kemurnian ;

Intrinsik : semikonduktor murni yang tidak diberi doping

Ekstrensik : semikonduktor murni yang diberi doping

Semikonduktor intrinsic dan ekstrinsik

Teknologi dan penelitian ilmiah semikonduktor mempersyaratkan bahan yang sangat

murni. Bahan baku harus memiliki kemurnian 99,99% yang kemudian harus diproses

lebih lanjut menjadi sekurang-kurangnya 10 kali lebih murni.

Bahan semikonduktor bersifat intrinsik bilamana konduktivitasnya tidak ditentukan

oleh konsentrasi ketidakmurnian kimiawi dalam kristal.

Semikonduktor bersifat ekstrinsik bilamana konduktivitas bahan ditentukan oleh

ketidakmurnian kimiawi dalam kristal.

Bahan semikonduktor yang sama dapat bersifat ekstrinsik pada suhu rendah, namun

bersifat intrinsik pada suhu yang lebih tinggi.

Konduktivitas dipengaruhi suhu kristal

Semikondukor yang Dibubuhi Atom Donor atau Atom Aseptor

Bila unsur As (gol.V) dibubuhkan pada kristal silikon yang murni dengan berikatan

seacara kovalen, satu elektron terionisasi menjadi elektron bebas. Karena

menyumbang elektron apabila terionisasi, maka dinamakan donor.

Pada suhu yang lebih tinggi, akan lebih banyak elektron di pita valensi akan

tereksitasi ke pita konduksi.

Kontribusi elektron oleh atom donor terhadap konduktivitas dapat diabaikan terhadap

kontribusi dari hasil perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi.

Pada suhu yang relatif lebih tinggi, bahan yang dibubuhi atom donor merupakan

bahan semikonduktor intrinsik.

Pada suhu yang agak tinggi (1/T berharga rendah) bahan semikonduktor bersifat

intrinsik; pada suhu yang agak lebih rendah (1/T berharga agak lebih rendah)

semikonduktor bersifat ekstrinsik.

Pembubuhan unsur B pada silikon menyumbang hole pada kristal Si, atom B

dinamakan atom aseptor, dan kristalnya merupakan semikonduktor tipe p, karena

menyumbang pembawa muatan berpolaritas positif.

Presentasi peredaran hole mengelilingi ion B- dan kedudukan ‘acceptor state’ dalam

diagram pita energi ditampilkan dalam 2 sketsa di bawah

Doping

Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam

jumlah lebih banyak dan permanen, yang  diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik.

Semikonduktor Intrinsik

Pada semikonduktor murni atau intrinsik, perpindahan muatan berarti terjadinya

pengaliran arus. Perpindahan muatan 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 ini banyaknya elektron bebas sama dengan

banyaknya hole yang terjadi.

Atom semikonduktor murni pada suhu nol  mutlak (-2730 C atau 0 Kelvin), bersifat sama

dengan isolator, tetapi apabila suhu menjadi naik, semikonduktor dapat mengalir arus,

walaupun sangat kecil sekali 

Ciri-ciri semikonduktor intrinsic :

Semikonduktor yang belum mengalami penyisipan oleh atom akseptor atau atom

donor

Pada suhu tinggi elektron valensi dapat berpindah menju pita konduksi, dengan

menciptakan hole pada pita valensi

Pengahantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole

Semikonduktor ekstrinsik

Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik, yaitu jenis p dan jenis n.

Semikonduktor jenis p adalah semikonduktor yang terdiri dari campuran atom-atom yang

tidak memiliki elektron  bebas dan bersifat menerima elektron. Misalnya unsur Ge bercampur

dengan gallium (Ga). Pada semikonduktor jenis p , lubang (hole) bertindak sebagai muatan

positif , oleh karena itu komponen ini sering disebut sebagai pembawa muatan minoritas.

1. Tipe N

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 elektron.

Doping atom pentavalen

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat

semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah  bahan

trivalen yaitu unsur dengan ion yang  memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion

silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini

digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan

elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p. 

Doping atom trivalen

Pengotoran oleh atom pentavalent yaitu, bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron

valensi.

Contoh ; P , As

Atom pengotor disebut atom donor

Pembawa muatan disebut elektron

2. Tipe P

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

valensi.

Contoh ; B, Ga

Atom pengotornya disebut atom akseptor

Pembawa muatan disebut hole

3. PN JUNCTION

Jika semikonductor disambungkan, maka elektron akan berdifusi menuju daerah tipe-

p, dan sebaliknya hole akan berdifuso menuju daerah tipe-n, sehingga terbentuk

daerah persambungan.

Pada daerah persambungan ini terbebas dari muatan mayoritas, tetapi terjadi dipole

muatan sehingga timbul medan listrik dan terjadi potensial halang.

Tidak semua atom dapat digunakan sebagai atom akseptor atau atom donor, ada

beberapa persyaratan :

1. Ukuran atom yang hampir sama dengan atom murni

2. Memiliki jumlah elektron valensi berbeda satu dengan atom murni

9. Sifat bahan semikonduktor

10. Komponen menggunakan semikonduktor

Dioda

Transistor

Sel Surya

komponen elektronika berbahan dasar semikonduktor

Sel surya polycristal

Sel surya monocrystal

11. Aplikasi

Detektor Kualitas Daging

Pada umumnya daging diawetkan dengan cara dibekukan. Sebenarnya ada suhu

optimum yang dibutuhkan agar daging bisa bertahan lama. Sensor dari semikonduktor

mendeteksi gas ethil-asetat yang muncul ketika daging mulai membusuk. Sensor dibuat dari

bahan semikonduktor padatan SnO2-La2O3 dengan metoda lapisan tebal pada substrat

alumina. Gas Ethil Asetat akan bereaksi dengan La203 yang membentuk lapisan deplesi

IC

Merupakan aplikasi yang paling banyak dalam pemanfaatan semikonduktor.

Dalam sebuah IC terdapat beberapa jenis semikonduktor baik berupa transistor maupun

dioda. Penggabungan semikonduktor jenis p dan jenis n pada komponen elektronika

diantaranya adalah dioda, dan transistor

                       Dioda                                                                   Transistor