SEMIKONDUKTOR

Nama Kelompok: Choirun Nisa’ 103184205 Fina Ulya Farhatin 103184214

Pendidikan Fisika Non Reguler 2010

SEMIKONDUKTOR

AbstrakPada paper semikonduktor ini bertujuan untuk menjelaskan konsep struktur pita energi, menjelaskan pengaruh temperatur terhadap kondukivitas listrik, menjelaskan tentang distribusi Fermi-dirac, dan menjelaskan tentang bahan konduktor, isolator, dan semikonduktor. Sehingga, berdasarkan literatur yang ada dapat ditarik suatu kesimpulan yang mengacu pada tujuan tersebut, antara lain: bahan Isolator adalah material yang sulit menghantarkan arus lisrik, sedangkan bahan konduktor adalah material yang dapat menghantarkan arus lisrik. Bahan Semikondukor adalah sutau material dengan sifat konduktivitas di antara konduktor dan isolator. Serta bahan semi konduktor terbagi atas dua klasifikasi yaitu Semikonduktor intrinsik yang merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Serta semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya.

BAB I PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG

Kita tentunya telah mengetahui bahwa secara sederhana zat padat dapat dikelompokkan menjadi isolator, semikondukor, dan kondukor. Bahan Isolator adalah material yang susah menghantarkan arus lisrik, sedangkan bahan konduktor adalah material yang dapat menghantarkan arus lisrik, sedangkan Bahan Semikondukor adalah sutau material dengan sifat konduktivitas di antara konduktor dan isolator, contohnya silikon, dan germanium. Untuk menjelaskan konduktivias bahan seringkali menggunakan konsep pita energi. Ada dua pita energi yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energy yang mungkin diisi oleh elektron dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N elektron dengan N adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisi pita konduksi. Pada suhu 0 K, pita konduksi terisi sebagian untuk bahan konduktor, sedangkan untuk isolator dan semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita konduksi.

B. RUMUSAN MASALAHBerdasarkan latar belakang di atas, maka

dapat diambil suatu rumusan masalah antara lain:

1. Apakah yang dimaksud bahan konduktor, isolator, dan semikonduktor ?

2. Apa sajakah klasifikasi dari konduktor?

C. TUJUANBerdasarkan rumusan masalah di atas, maka

tujuan yang ingin dicapai antara lain :

1. Menjelaskan tentang bahan konduktor, isolator, dan semikonduktor.

2. Menjelaskan tentang klasifikasi dari konduktor.

BAB II ANALISIS2.1 KonduktorKita ambil contoh padatan Na. Konfigurasi atom Na adalah 1s2  2s2  2p6  3s1 . Sesudah membentuk  padatan,  diagram  pita  energi  padatan  Na  dapat  digambarkan  seperti terlihat pada gambar 2.1

Gambar 2.1 : Diagram pita energy padatan Na

Pada  atom Na  orbital  3s  yang  seharusnya  dapat memuat  2  elektron hanya  terisi  1 elektron;  inilah  elektron  valensi  atom  Na.  Oleh  karena  itu  pita  energi  3s  pada padatan Na  hanya setengah  terisi,  dan  disebut  pita  valensi. Orbital  berikutnya  3p tidak  terisi  elektron (kosong). Diantara  pita-pita  energi  terdapat  celah  energi  yang merupakan celah terlarang bagi elektron. 

Sebagian  elektron  di  3s  akan menempati  bagian  bawah  3p  sampai  keseimbangan tercapai.  Jumlah  tingkat  energi  elektron  di  3s  semula  adalah  2N  dan  dengan bertumpang tindihnya 3s dan 3p tersedia sekarang 2N + 6N = 8N tingkat energi; dan padatan Mg   adalah konduktor yang baik.  Jadi elemen yang memiliki orbital  terisi penuh,  dapat  menjadi  padatan  yang  bersifat  sebagai  konduktor  jika  terjadinya tumpang tindih antara pita energi yang terisi penuh dengan pita energi yang kosong.            Pita  energi  yang  tumpang-tindih  dapat  dipandang  sebagai  pelebaran  pita. Elektron yang berada pada pita yang tumpang-tindih mempunyai kesempatan lebih luas untuk berpindah  tingkat  energi  karena  adanya  tambahan  tingkat  energi  dari  orbital  yang lebih tinggi. Dalam kasus atom Na,

SEMIKONDUKTOR

elektron di orbital 3s dengan mudah “pindah” ke 3p dan 3d; elektron  ini berada dalam “pita energi gabungan” yang  jauh  lebih  lebar dari pita s dimana semula ia berada.             Pada  0o K  elektron  terdistribusi  dalam  pita  valensi  sampai  tingkat  tertinggi  yang disebut  tingkat  Fermi,  EF  (akan  kita  bahas  di  bab  berikutnya).  Pada  temperatur kamar  elektron  di  sekitar  tingkat  energi  Fermi  mendapat  tambahan  energi  dan mampu naik ke orbital di atasnya  yang masih kosong. Elektron yang naik ini relatif bebas  sehingga  medan  listrik  dari  luar  akan menyebabkan  elektron  bergerak  dan terjadilah arus listrik. Oleh karena itu material dengan struktur pita energi seperti ini, di mana  pita  energi  yang  tertinggi  tidak  terisi  penuh, merupakan  konduktor  yang baik  (juga  disebut  metal).  Pita  valensi  3s  pada  padatan  Na  yang  setengah  terisi disebut juga pita konduksi.    

Terbentuknya  pita  energi  dapat  pula  kita  lihat  sebagai  terjadinya  perluasan  kotak potensial  sebagai  akibat  kotak-kotak  yang  tumpang-tindih. Ruang  di  sekitar  suatu ion  dapat  kita  pandang  sebagai  kotak  potensial.  Dalam  kotak  inilah  elektron terjebak.  Jika  ion-ion  tersusun  secara  rapat, maka  kotak-kotak  potensial  ini  saling tumpang-tindih  sehingga  membentuk  kotak  potensial  yang  lebih  besar.  Dengan membesarnya  kotak  potensial  maka tingkat energy menjadi rapat. Rapatnya  tingkat  energi  memudahkan elektron  berpindah  ke  tingkat  energi  yang  lebih  tinggi  dengan  hanya  sedikit tambahan  energi,  misalnya  dari  medan  listrik.  Oleh  karena  itu  metal  memiliki konduktivitas listrik yang tinggi.

2.2 IsolatorKita lihat sekarang situasi di mana pita

valensi terisi penuh dan tidak tumpang-tindih dengan pita di atasnya. Karena pita valensi  terisi penuh maka elektron dalam pita  ini  tidak dapat berganti  status. Satu-satunya cara untuk berganti status adalh dengan melompati celah energi dan masuk ke pita konduksi. Namun  jika celah energi cukup  lebar, beberapa eV, perpindahan ini  hampir  tidak mungkin  kecuali  ditambahkan  energi  yang  cukup  besar misalnya dengan  pemanasan. Material  yang  memiliki  diagram  pita  energi  seperti  ini  tidak mudah  menghantarkan  arus  listrik;  mereka  termasuk  dalam  kelompok  material isolator  seperti  misalnya  intan,  quartz,  dan  kebanyakan  padatan  dengan  ikatan kovalen dan ikatan ion. 

Intan merupakan  kristal  karbon C  yang memiliki  konfigurasi  elektron  1s2 2s2 2p2 ; tingkat energi kedua sebenarnya mampu memuat sampai 8 elektron, yaitu 2 di 2s dan 6 di 2p, namun elektron yang ada di  tingkat kedua  ini hanya 4. Jika jarak atom makin dekat, 2s dan 2p mulai tumpang tindih. Pada jarak atom yang lebih kecil  lagi pita energi  ini pecah  lagi menjdi dua pita yang masing-masing dapat  menampung  4  elektron.  Oleh  karena  itu  4  elektron  yang  ada  akan menempati empat tingkat energi terendah dan menyisakan empat tingkat energy yang  lebih  tinggi yang kosong. Dalam  jarak keseimbangan, celah energi antara pita yang terisi dan pita yang kosong di atasnya adalah sekitar 5 eV. Oleh karena itu intan merupakan material isolator.  

2.3  Semi KonduktorDiagram  pita  energi  utnuk  germanium 

dan  silikon  mirip  dengan  intan  dengan perbedaan celah energi hanya sekitar 1 eV. Konfigurasi atom Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2 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. Karena  celah  energi  sempit maka  jika  temperatur  naik,  sebagian  elektron  di  pita valensi  naik  ke  pita  konduksi  mudah  dan  dengan  meninggalkan  tempat  kosong (hole) di pita valensi. 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.

Konduktivitas  listrik  tersebut di atas disebut konduktivitas intrinksik. 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 ke pita 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 elektro 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.

2.4 Klasifikasi SemikonduktorBerdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.

A. Semikonduktor IntrinsikSemikonduktor intrinsik merupakan

semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya, perhatikan gambar di bawah ini:

SEMIKONDUKTOR

GambarStruktur kristal 2 dimensi kristal Si

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 0 K 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 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 menyebrangi celah energi. Elektron valensi pada atom Ge lebih 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. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut hole. 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.

B. Semikonduktor EkstrinsikSemikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Proses penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebutpengotoran (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 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.

BAB III KESIMPULAN

Berdasarkan analisis di atas, maka dapat ditarik suatu kesimpulan antara lain :1. bahan Isolator adalah material yang susah

menghantarkan arus lisrik, sedangkan bahan konduktor adalah material yang dapat menghantarkan arus lisrik. Bahan Semikondukor adalah sutau material dengan sifat konduktivitas di antara konduktor dan isolator.

2. Serta bahan semi konduktor terbagi atas dua klasifikasi yaitu Semikonduktor intrinsik yang merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Serta semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

http://semangatbelajar.com/semikonduktor/ http://niningf43.blogspot.com/2011/02/

semikonduktor.html Sutrisno. 1985. Elektronika Teori dan

Penerapannya: Bandung. Penerbit ITB Bandung.