[Makalah] Bahan Semikonduktor

BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nhingz, BLOG--Dalam aktifitas kita sebagai mahasiswa pendidikan fisika, didalam laboratorium ketika kita melakukan suatu eksperimen pastinya tidak terlepas dari penggunaan alat-alat elektronika. Alat-alat elektronika alah satunya yaitu dioda. Dioda merupakan bahan yang tersusun atas semikonduktor tipe-P dan tipe-N.
Bahan semikonduktor merupakan bahan yang banyak di gunakan dalam pembuatan komponen-kompenen elektronika yaitu kristal silikon. Dahulu orang juga menggunakan unsur germanium.  Kedua unsur itu merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang terbentuk dari unsur galoium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor, krital ini banyak digunakan untuk membuat lampu LED, yang dipakai untuk lampu penunjuk dan laser dioda. Kristal GaSa juga digunakan untuk membuat transistor yang dapat bekerja hingga daerah frekuensi tinggi, yaitu dalam daerah gelombang mikro.
Pada umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0 C dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor intrinsik (murni), yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja. Perlu diketahu bahwa semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan dioda dan transistor  terdiri dari campuran bahan semikonduktor instrinsik dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Sehingga semikonduktor yang dihasilkan adalah semikonduktor ekstrinsik.
B. Rumusan Masalah
            Rumusan masalah yang diangkat pada pembuatan makalah ini yaitu sebagai berikut:
       1. Apa definisi dari semikonduktor?
       2. Sebutkan jenis-jenis dari semikonduktor?
       3. Bagaimana proses generasi dan rekombinasi?
       4. Bagaimanakah kerapatan arus difusi?
C. Tujuan
            Tujuan dalam pembuatan makalah ini yaitu; untuk mengetahui arti semikonduktor, jenis-jenis semikonduktor, proses generasi dan rekombinasi, serta kerapatan arus difusi.
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengertian Bahan Semikonduktor
1.      Definisi I
·         Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis(ρ) antara konduktor dan isolator yakni sebesar10-6 s.d. 104 ohm.m
·         Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator.
Bahan
Hambatan jenis (Ohm.m)
Sifat
Tembaga
1,7 x 10-8

Konduktor
Silikon 300K
2,3 x 103

Semikonduktor
Gelas
7,0 x 106

Isolator

        2. Definisi II
·        Bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atauenergy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar1 eV
·         Bahan-bahanSemikonduktor
a. TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In).
b. TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si)dan Germanium (Ge).
c. PENTAVALENT: logam-logamyang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum(As), dan Antimon(Sb).
Contohnya:
Ø  Bahan yang paling banyak digunakan adalah Sidan Ge.
Ø  Jumlah elektron Si14 buah
Ø  Jumlah elektron Ge 32 buah
Ø  Jumlah elektron valensi (elektron terluar) Si maupun Ge masing-masing 4 buah
Ø  Jenis ikatan kovalen

B. Jenis-Jenis Semikonduktor
1. Semikonduktor Intrinsik (murni)
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 2.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
Gambar 2.1. Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi
Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dariikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar 2.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
Gambar 2.2. Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus.
Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”.
Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:
J npqn p                                                                                  (1)
Dimana:
 n dan p = konnsentrasi elektron dan lubang (m-3)
n dan p = mobilitas elektron dan lubang (m2 V-1 s-1)
n p q n p = konduktivitas (S cm-1)
Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada
semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan
sebagai
i n p                                                                                     (.2)
dimana i n disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan
germanium diperlihatkan pada tabel 2.1.
Properti
Silikon
Germanium
Energi terlarang/gap (eV)
1,1
0,67
Mobilitas elektron, (m2V-1s-1 )
0,135
0,39
Mobilitas lubang, (m2V-1s-1 )
0,048
0,19
Konsentrasi intrinsik, ni (m-3 )
1,5 ´ 1016
2,4 ´ 1019
Resistivitas intrinsik, (  9 m)
2300
0,46

2. Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2.3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada tabel 2.3.
Tabel 2.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodik
a.      Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 2.3). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagaiatom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3.    Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.


b. Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).

C. Generasi dan Rekombinasi
Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik permeter kubik)     tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur T dinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistik menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan e eVG kT - / . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggi maka laju generasi termal akan tinggi.
Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderung mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada. Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya R akan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak. Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikit lubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangat tinggi. Secara umum dapat dituliskan:
R = r n p                                                                                             (3)
dimana r menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.

Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnya laju rekombinasi. Pada semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlaku
g = g = R = r n p = r n                                                                        (4)
atau
i n p = n                                                                                              (.5)
atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatu konstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atom donor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasi atom donor ND>> ni, dengan konsentrasi elektron sebesar
n D n @ N                                                                                          (6)
D. Difusi
Jika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasi  partikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadi mekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partiket harus random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron pada salah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan elektron bergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi yang lebih padat ke sisi yang kurang padat. Gerakan muatan ini menghasilkan “arus difusi” yang besamya sebanding dengan gradien konsentrasi dn/dx. Kerapatan arus difusi karena aliran elektron diberikan oleh,
dx dn --J qDn n                                                                                              (7)
dimana Dn = konstanta difusi untuk elektron (m2s-1). Jika dn/dx berharga positif, gerakan elektron pada arah -x menghasilkan arus positif pada arah +x. Dengan cara yang sama untuk lubang diperoleh
dx dp---J qDp p = -                                                                                  (8)
Perlu dicatat bahwa masing-masing partikel yang bermuatan bergerak menjauhi bagian yang mempunyai konsentrasi lebih tinggi, namun gerakan tersebut bukan karena adanya gaya tolak. Seperti halnya pada mobilitas, difusi merupakan penomena statistik sehingga berlaku persamaan Einstein
Kt q D Dp p n n = = m m                                                                   (9)

BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
            Adapun kesimpulan yang ditarik pada pembuatan makalah ini yaitu sebagai berikut:
1. Semikonduktor adalah Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis(ρ) antara konduktor dan isolator yakni sebesar10-6 s.d. 104 ohm.m.
2. Jenis-Jenis Semikonduktor
     a. Semikonduktor Intrinsik (murni)
b. Semikonduktor Ekstrinsik (tak murni)
     3. Generasi dan Rekombinasi
     4. Difusi
B. Saran
   Kami sadar dalam penyusunan makalah ini masih sangat jauh dari kesempurnaan, maka  dari itu saran dan bimbingan dari para bapak ibu dosen selaku pembina, kami harapkan demi kesempurnaan karya penulis selanjutnya.
DAFTAR PUSTAKA
Http://Id.Shvoong.Com/2010/Macam-Macam-Dioda-Html. 16 Desember 2011.
Http://webcache.googleusercontent/2006/-Semikonduktor-html. 16 Desember 2011.
Saleh, Muhammad. Dkk. 2008. Dasar-Dasar Elektronika. Makassar: Universitas Negeri   Makassar.
Sutrisno. 1996. Elektronika; Teori dan Penerapannya. Bandung: Institut Tekhnologi Bandung.

1 komentar:

Anonim mengatakan...

trimakasih buat makalah.a. sangat membantu :D

Poskan Komentar

1. "Anda Follow, pasti saya Followback"
2. "Kalau mau Copy-Paste artikel boleh saja, tapi sumbernya ke blog ini"
3. "Terima Kasih Lagi . . . !!!"

Komentar Anda Sangat Kami Harapkan Untuk Kemajuan Blog Ini. isikan komentar anda disini !

My Visitor

http://nhingz-anwar.blogspot.com/
https://twitter.com/Nhingz_Ansyoona
http://www.facebook.com/tri.mhawartnhingzhdt?ref=tn_tnmn#!/tri.mhawartnhingzhdt

Member