UNTUK sedikit memahami mengenai semikonduktor, ternyata orang harus melihat kembali pengetahuan tentang struktur atom. Pengetahuan mengenai struktur atom, lintasan elektron dan sebagainya yang dipelajari di SLTA, yang selama ini terlihat begitu abstraknya, teraplikasi sebagai landasan berpijak untuk memahami semikonduktor.
Sebagaimana diketahui, pada tahun 1913, Niels Bohr mengajukan konsep bahwa elektron-elektron (bermuatan negatif) di dalam atom mengelilingi inti atom atau proton (bermuatan positif) pada lintasan-lintasan yang jaraknya tertentu dan memiliki energi tertentu. Lintasan elektron yang paling luar disebut lintasan valensi dan elektron yang berada pada lintasan ini disebut elektron valensi. Beberapa lintasan (kulit) pada atom itu dinamakan lintasan K (maksimum diisi oleh 2 elektron), L (maksimum diisi oleh 8 elektron), M (maksimum diisi oleh yaitu 18 elektron), N (maksimum diisi oleh 32 elektron).
Lintasan K yang paling dekat dengan inti atom memiliki energi poten-sial yang paling rendah. Lintasan berikutnya memiliki energi potensial yang lebih tinggi. Elektron-elektron bergerak mengelilingi inti atom, jadi juga memiliki energi kinetik. Elektron-elektron tersebutdapat berpindah dari lintasan satu ke lintasan lainnya dengan menyerap atau melepaskan energi (karena elektron tidak cukup memiliki energi untuk mampu memindahkan dirinya ke lintasan lain). Kalau elektron berpindah dari lintasan berenergi rendah ke lintasan yang berenergi lebih tinggi (ke lintasan yang lebih jauh dari inti), maka elektron ini perlu menerima energi dari luar.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Namun bila elektron berpindah dari lintasan energi lebih tinggi ke lintasan energi lebih rendah,berarti elektron itu akan melepaskan energi. Untuk sementara ini kita lihat dahulu pengertian mengenai elektron valensi.
Contohnya silikon yang dipakai sebagai material semikonduktor. Pada tabel periodik, silikon terdapat pada golongan IVA, dengan nomor atom 14. Nomor atom 14 itu dapat berarti bahwa silikon (Si) mempunyai 14 elektron. Kalau kita melihat lintasan-lintasan elektron di atas, maka silikon memiliki 3 lintasan edar elektron. Lintasan yang pertama (K) diisi penuh oleh 2 elektron, lintasan kedua (L) diisi penuh oleh 8 elektron dan lintasan ketiga (M, lintasan elektron terakhir yang dimiliki oleh silikon, disebut juga lintasan valensi) hanya diisi oleh 4 elektron. Jadi dapat dikatakan bahwa Si mempunyai empat elektron valensi.
Elektron valensi ini beredar mengelilingi inti pada jarak yang paling jauh dengan inti dibandingkan elektron pada lintasan lainnya. Elektron valensi itu juga paling mudah terlepas dibandingkan elektron yang terdapat pada lintasan dekat inti karena gaya tarik inti agak berkurang.
Seperti sudah dikemukakan, suatu elektron dapat berpindah dari satu lin-tasan ke lintasan lainnya. Apabila suatu atom diberi energi dari luar berupa panas, cahaya atau radiasi lainnya, maka elektron akan memperoleh tambahan energy –yang bila energi itu cukup—, akan digunakan elektron untuk berpindah dari lintasan energi rendah ke lintasan energi lebih tinggi (elektron tereksitasi). Keadaan seperti ini tidak berlangsung lama. Elektron yang tereksitasi ini akan kembali ke lintasan semula (dari lintasan berenergi tinggi ke lintasan berenergi rendah) dengan cara melepaskan energi.
Kini kita melihat kaitan antara elektron tereksitasi ini dan semikonduktor. Ketika suatu atom diberi energi yang secukupnya, maka elektron pindah dari lintasan terluar (lintasan valensi) ke lintasan di atasnya yang masih kosong (lintasan konduksi). Dengan demikian terjadi kekosongan elektron pada lintasan valensi. Tempat yang kosong di lintasan valensi itu disebut hole atau lubang.
Jadi dalam atom yang memperoleh tambahan energi dariluar, terdapat elektron bebas pada lintasan konduksi dan terdapat hole di lintasan valensi. Apabila diberi pengaruh medan listrik, maka kumpulan atom-atom itu akan melewatkan arus listrik melalui dua lintasan yaitu lintasan konduksi dan lintasan valensi yang terdapat hole.
Sudah dikemukakan bahwa apabila suatu atom diberikan energi (misalnya energi listrik) dari luar, maka akan terjadi perpindahanelektron darilintasan valensi ke lintasan konduksi.
Apabila energi dari luar itu makin tinggi, maka makin banyak elektron valensi pada atom-atom itu yang pindah ke lintasan konduksi. Dengan demikian makin banyak atom yang memiliki elektron di lintasan konduksi dan juga hole di lintasan valensi, sehingga arus listrik yani dilewatkan juga makin besar.
SEMIKONDUKTOR
Sudah sejak di sekolah dasar kita mengenal istilah konduktor dan isolator. Konduktor adalah suatu bahan yang akan mengalirkan arus listrik jika diberikan medan listrik dari luar. Isolator kebalikannya, tidak bisa menghantarkan arus listrik.
Ada bahan lain yang sifatnya berada di antara konduktor dan isolator, yaitu disebut semikonduktor. Untuk menjadi bahan yang baik, maka bahan itu haruslah dibuat dalam bentuk kristalnya.
Pada suhu ruang, hantaran listrik dari suatu konduktor atau logam adalah antara antara 104 – 106 mho cm-1, isolator : 10-22 – 10-1° mho cm-1 dan semikonduktor mempunyai hantaran : 10-9 – 103 mho cm-1.
Sifat-sifat semikonduktor ini bisa dipengaruhi oleh adanya atom lain pada kisi kristal.
Pada kristal silikon, maka atom-atom silikon saling berinteraksi melalui ikatan kovalen. Ikatan kovalen ini disumbangkan oleh adanya elektron valensi yang jumlahnya 4 buah elektron per atomnya. Tiap atom silikon menyumbangkan 4 elektron valensi dan tiap atom silikon ini terikat secara tetrahedral dengan 4 atom silikon tetangganya. Semua elektron valensi sudah digunakan untuk ikatan kovalen, jadi pada keadaan demikian tidak mungkin ada aliran elektron. Tetapi bila kristal itu diberikan arus listrik, maka elektron valensi itu tereksitasi menuju ke lintasan konduksi dan meninggalkan hole pada tempatnya semula. Kisi kristal demikian tidak sempurna lagi dan dapat menghantarkan arus listrik. Semikonduktor jenis ini disebut semikonduktor intringsik.
Semikonduktor intringsik itu merupakan semikonduktor murni, artinya terbuat dari kristal mumi tanpa ada campuran dari atom-atom lain yang mengotorinya. Jadi dapat dikatakan banyaknya elektron yang tereksitasi sama dengan banyaknya hole yang terjadi. Apabila pada kristal mumi itu diberikan secara sengaja (doping) kristal lain, maka akan terbentuk semikonduktor yang disebut semikonduktor ekstringsik. Adanya atom lain itu mengakibatkan tidak sempurnanya kisi kristal silikon. Dilihat dari jenis penambahan atom lain pada bahan semikonduktor induk, maka semikonduktor ekstringsik dibagi dua yaitu semikonduktor jenis N dan jenis P.
Semikonduktor jenis N merupakan semikonduktor yang masih mempunyai elektron-elektron bebas ketika didalarn semikonduktor murni tersebut sudah ditambahkan kristal-kristal dari atom yang lain. Atom-atom asing yang ditambahkan itu disebut atom donor karena ketika berikatan dengan bahan semikonduktor murni, atom asing itu masih memberikan elektron valensi yang masih tersisa, yang bebas.
Contohnya kristal silikon sebagai bahan semikonduktor murni. Atom silikon mempunyai 4 elektron terluar (elektron valensi). Apabila kepadanya diberikan atom-atom donor yaitu fosfor (mempunyai elektron valensi 5), maka elektron-elektron valensi itu akan saling berikatan dan menyisakan 1 elektron yang berasal dari fosfor. Satu elektron itu adalah suatu elektron bebas.
Apabila bahan semikonduktor campuran ini dikenai medan listrik, maka elektron bebas tersebut akan bergerak ke kutub positif sedangkan hole bergerak ke kutub negatif.
Semikonduktor jenis P merupakan semikonduktor yang tidak mempunyai elektron bebas tetapi mempunyai hole yang bebas . Atom yang ditambahkan ke dalam semikonduktor murni ini disebut aseptor. Misalnya saja silikon didoping dengan indium yang mempunyai 3 elektron valensi. Elektron valensi (4) dari silikon dan indium akan berinteraksi membentuk ikatan, sehingga akan terbentuk 1 hole yang bebas pada atom indium. Hole tersebut bila diberi tegangan bias, akan bergerak ke arah kutub negatif sedangkan elektron yang berasal dari sumber tegangan bergerak ke arah hole, sehingga terjadi aliran arus.
Begitulah pemahaman sederhana mengenai semikonduktor ini. Masih banyak yang belum diungkapkan, namun apa yang disampaikan ini dapat lebih membantu penerapan mengenai teori atom kaitannya dengan semikonduktor. –MGS
Sumber: Majalah AKU TAHU/ JANUARI 1993
