Struktur Atom Bahan Semikonduktor | Elektronika

Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur. Susunan elektron pada beberapa atom:

Nama Unsur Lingkaran Orbit Jumlah Elektron-Elektron Valensi.

K L M N O P Q

Born 2 3 - - - - - 5 3

Alumunium 2 8 3 - - - - 13 3

Silicon 2 8 4 - - - - 14 4

Fosfor 2 8 5 - - - - 15 5

Galium 2 8 18 3 - - - 31 3

Germanium 2 8 18 4 - - - 32 4

Arsenikum 2 8 18 5 - - - 33 5

Indium 2 8 18 18 3 - - 49 3

Antimon 2 8 18 18 5 - - 51 5

Barium 2 8 18 18 8 2 - 56 2

Silikon dan germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi. 

Silikon (Si) dan germanium (Ge) berada pada grup IV karena memiliki empat elektron valensi pada kulit terluarnya, sehingga disebut juga semikonduktor dasar (elemental semiconductor). Sedangkan gallium arsenik(GaAs) masing-masing berada pada grup III dan V, sehingga dinamakan semikonduktor gabungan (compound semiconductor).

Atom atom yang berdiri sendiri dan Ikatan kovalen (covalent bond)

Atom-atom silikon yang berdiri sendiri dapat digambarkan sebagai lambang unsur (Si) dengan empat buah garis kecil yang terpisah (Gambar 1.3). Saat atom-atom ini berdampingan cukup, elektron valensinya akan berinteraksi untuk menghasilkan kristal. 

Struktur akhir kristalnya sendiri adalah dalam konfigurasi thetahedral sehingga setiap atom memiliki empat atom lainnya yang berdekatan. Elektron-elektron valensi dari setiap atom akan bergabung dengan elektron valensi dari atom didekatnya, membentuk apa yang disebut ikatan kovalen (covalent bonds) seperti terlihat pada Gambar.

Salah satu sifat penting dari struktur ini adalah bahwa elektron valensi selalu tersedia pada tepi luar kristal sehingga atom-atom silikon lain dapat terus ditambahkan untuk membentuk kristal yang lebih besar. 

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau disebut dengan elektron bebas. 

Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium. Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah elektron

bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat. 

Setiap elektron yang menempati suatu orbit tertentu dalam struktur atom tunggal (atau terisolasi) akan mempunyai level energi tertentu. Semakin jauh posisi orbit suatu elektron, maka semakin besar level energinya. Oleh karena itu elektron yang menduduki posisi orbit terluar dalam suatu struktur atom atau yang disebut dengan elektron valensi, akan mempunyai level energi terbesar.

Sebaliknya elektron yang paling dekat dengan inti mempunyai level energi terkecil. Level energi dari atom tunggal dapat dilihat pada Gambar.

Level energi

Di antara level energi individual yang dimiliki elektron pada orbit tertentu terdapat celah energi yang mana tidak dimungkinkan adanya elektron mengorbit. Oleh karena itu celah ini disebut juga dengan daerah terlarang. Suatu elektron tidak dapat mengorbit pada daerah terlarang, tetapi bisa melewatinya dengan cepat. 

Misalnya bila suatu elektron pada orbit tertentu mendapatkan energi tambahan dari luar (seperti energi panas), sehingga level energi elektron tersebut bertambah besar, maka elektron akan meloncat ke orbit berikutnya yang lebih luar yakni dengan cepat melewati daerah terlarang. Hal ini berlaku juga sebaliknya, yaitu apabila suatu elektron dipaksa kembali ke orbit yang lebih dalam, maka elektron akan mengeluarkan energi.

Dengan kata lain, elektron yang berpindah ke orbit lebih luar akan membutuhkan energi, sedangkan bila berpindah ke orbit lebih dalam akan mengeluarkan energi. Besarnya energi dari

suatu elektron dinyatakan dengan satuan elektron (eV). Hal ini disebabkan karena definisi energi merupakan persamaan:

W = Q . V

Dimana :

W = energi Joule (J)

Q = muatan (Coulomb)

V = potensial listrik (V)

Dengan potensial listrik sebesar 1 V dan muatan elektron sebesar 1.602-19 C, maka energi dari sebuah elektron dapat dicari:

Hasil tersebut menunjukkan bahwa untuk memindahkan sebuah elektron melalui beda potensial sebesar 1 V diperlukan energi sebesar 1.602-19 J. 

Atau dengan kata lain:

1 eV = 1.602-19 J

Bila atom-atom tunggal dalam suatu bahan saling berdekatan (dalam kenyatannya memang mesti demikian) sehingga membentuk suatu kisi-kisi kristal, maka atom-atom akan berinteraksi dengan mempunyai ikatan kovalen. 

Karena setiap elektron valensi level energinya tidak tepat sama, maka level energi jutaan elektron valensi dari suatu bahan akan membentu range energi atau yang disebut dengan pita energi valensi atau pita valensi. Gambar 1.6 menunjukkan diagram pita energi dari bahan isolator, semikonduktor dan konduktor.

Struktur atom
a. Silikon
b. Germanium

Seperti ditunjukkan pada gambar, atom silikon mempunyai elektron yang mengorbit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C dan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C. 

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi. Aktifitas kimiawi dari sebuah unsur terutama ditentukan oleh jumlah elektron valensi ini. Unsur-unsur pada tabel periodik telah disusun sedemikian rupa berdasarkan jumlah elektron valensinya. 

Silikon (Si) dangermanium (Ge) berada pada grup IV karena memiliki empat elektron valensi pada kulit terluarnya, sehingga disebut juga semikonduktor dasar (elemental semiconductor). Sedangkan gallium arsenik (GaAs) masing-masing berada pada grup III dan V, sehingga dinamakan semikonduktor gabungan (compound semiconductor).

Pada bahan semikonduktor suhu T = 0 K, setiap elektron berada pada kondisi energi terendahnya, sehingga posisi pada tiap ikatan akan terisi penuh. Apabila sebuah medan listrik kecil diberikan pada struktur, elektron-elektron ini tidak akan bergerak, karena mereka akan tetap meloncat kembali pada atom individualnya. 

Karenanya, pada suhu 0 K silikon akan menjadi sebuah isolator, dimana tidak ada aliran muatan didalamnya. Beberapa elektron mungkin memperoleh cukup energi thermal untuk memutuskan ikatan kovalen dan keluar dari posisi awalnya. 

Untuk memutus ikatan kovalen ini, elektron tersebut mesti memperoleh sejumlah energi minimum, Eg, atau sering juga disebut energi bandgap. Pada bahan silikon dan germanium masing-masing Eg-nya adalah 1.1 eV dan 0.67 eV.

Elektron yang memperoleh energi minimum ini sekarang berada pada pita konduksi dan dikatakan menjadi elektron bebas. Elektron bebas ini didalam pita konduksi dapat berpindahpindah sepanjang struktur. Jumlah aliran elektron pada pita konduksi inilah yang lalu akan menghasilkan arus.

Diagram pita energi

Diagram pita energi ini dapat dilihat pada gambar. Energi Ev adalah energi maksimum dari pita energi valensi, sedangkan energi Eg adalah perbedaan antara Ec dan Ev. Daerah antara kedua energi ini disebut sebagai forbidden bandgap. Elektron-elektron tidak dapat berada pada daerah ini, tetapi mereka dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi apabila memperoleh cukup energi.

Unsur yang memiliki energi bandgap yang besar, sekitar 3-6 elektron (eV) adalah isolator, karena pada suhu kamar, tidak ada elektron bebas yang berada pada pita konduksi. Sebaliknya, unsur yang mengandung elektron bebas dalam jumlah yang sangat banyak pada suhu kamar adalah konduktor. Pada semikonduktor, energi bandgap-nya berada pada kisaran 1 eV.

Karena muatan total dari unsur adalah netral, apabila elektron yang bermuatan negatif memecah ikatan kovalennya dan keluar dari posisi awalnya, sebuah ruang kosong yang bermuatan positif akan terbentuk pada posisi tersebut. 

Dengan meningkatnya suhu, maka akan lebih banyak ikatan kovalen yang pecah dan lebih banyak pula elektron bebas maupun ruang kosong positif akan terbentuk.

Contoh 1-1

Setiap atom germanium memiliki 4 elektron valensi. Ukuran sel satuannya 0,08 nm. Perhitungan sendiri menunjukkan adanya 1015 elektron konduksi per m3. Beberapa bagian dari elektron telah diaktivi hingga pita konduksi ?

Penyelesaian

Contoh 1-2

Konsentrasi atom germanium adalah 4,41x1022. Jika tiap 108 atom germanium dikotori 1 atom

donor, dan µn sebesar 3800 cm²/Vs, tentukan σ !

Penyelesaian

Contoh 1-3

Transistor menggunakan silikon dengan tahanan ekstrinsik 0,07 Ω . Konsentrasi elektron konduksi

sebesar 5 x 1025/m3. Hitunglah mobilitas elektron dalam silikon ?

Penyelesaian

Share this post