Mengenal Prinsip Dasar dan Susunan Atom Semikonduktor | Elektronika

Prinsip Dasar Elektronika

Apabila kita berbicara tentang elektronika maka tidak akan lepas dari semikonduktor. Memang pada awal kelahirannya elektronika didefinisikan sebagai cabang ilmu listrik yang mempelajari pergerakan muatan didalam gas ataupun vakum. 

Penerapannya sendiri juga menggunakan komponen-komponen yang utamanya memanfaatkan kedua medium ini, yang dikenal sebagai Vacuum Tube. Akan tetapi sejak ditemukannya transistor, terjadi perubahan tren dimana penggunaan semikonduktor sebagai pengganti material komponen semakin populer dikalangan praktisi elektronika. 

Puncaknya adalah saat ditemukannya rangkaian terpadu atau IC (Integrated Circuit) pada akhir dekade 50-an yang telah menyederhanakan berbagai rangkaian yang sebelumnya berukuran besar menjadi sangat kecil. Selain itu penggunaan material semikonduktor juga memberikan fleksibilitas dalam penerapannya.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC. 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. 

Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nukleus. 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.

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nukleus ke nukleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Fenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik.

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.

Ikatan atom tembaga

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan galium arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada di Bumi setelah Oksigen (O2). 

Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur. Struktur atom kristal, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi.

Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar Gambar berikut.

Struktur dua dimensi kristal

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Share this post