Bahan semikonduktor adalah bahan atau materi yang mempunyai sifat diantara penghantar listrik dan isolator listrik. Di dalam ilmu elektronika dan kelistrikan, bahan semikonduktor sering digunakan untuk membuat sebuah komponen elektronika dengan karakteristik yang khusus. Contohnya adalah dioda.
Dioda sebagai komponen yang terbuat dari bahan dasar semikonduktor mempunyai sifat yang khas terhadap aliran arus listrik yang diberikan kepadanya. Seperti yang kita ketahui pada tutorial resistor yang memiliki karakteristik linear terhadap tegangan yang dialirkan kepadanya. Dimana penurunan arus listrik akan sebanding dengan besar hambatan yang dimiliki oleh resistor. Ketentuan ini bisa dihitung dengan rumus hukum Ohm.
Pada dioda yang merupakan komponen semikonduktor, sifat linear ini tidak ditemukan sehingga penggunaan hukum Ohm tidak dapat diaplikasikan kepada komponen dioda. Dioda adalah komponen yang bekerja dengan cara mengalirkan arus dengan satu arah. Cara kerja dioda seperti ini mirip dengan mekanisme katup / klep yang hanya bisa dilewati dengan satu arah saja.
Komponen elektronika dioda merupakan bentuk komponen paling sederhana yang terbuat dari material semikonduktor. Sehingga akan berguna sebagai pengantar pengenalan komponen elektronika semikonduktor.
Untuk memahami prinsip dasar kerja komponen semikonduktor, kita harus lebih dulu memahami pengertian dan karakteristik dari bahan semikonduktor sebagai unsur dasar penyusun komponen semikonduktor. Sebagai langkah awal mempelajari teori bahan semikonduktor, kita akan belajar lebih dulu tentang sifat dasar benda / materi terhadap arus listrik.
Sifat Benda Terhadap Arus Listrik
Sifat dan perilaku benda benda yang ada disekitar kita terhadap arus listrik yang diberikan kepadanya akan bereaksi secara beragam. Ada benda atau materi yang dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik, namun ada juga yang tidak bisa sama sekali dilewati arus listrik.
Pengetahuan awal tentang karakteristik benda terhadap laju aliran listrik ini perlu dipahami agar memudahkan kita dalam mempelajari karakteristik bahan semikonduktor yang sedang kita bahas.
Hambatan Listrik
Hambatan listrik yang dimiliki oleh suatu benda atau komponen elektronika pada dasarnya adalah perbandingan antara tegangan yang melintasi benda tersebut dengan besar arus yang mengalir. Daya hambat benda terhadap aliran listrik ini telah diselidiki oleh George Ohm sehingga menghasilkan kaidah hukum yang dikelan dengan hukum Ohm.
Besar hambatan benda terhadap arus listrik ini akan dpengaruhi oleh jenis dan dimensi ukuran benda tersebut. Sebagai contoh misalnya kita menambah panjang fisik dari benda yang diukur hambatan listriknya, maka besar hambatannya pun akan bertambanh seiring dengan pertambahan panjang benda.
Demikian juga bila kita memperbesar penampang benda, maka hambatan benda terhadap arus listrik akan berkurang. Bukan hanya itu, bahkan dengan dimensi ukuran yang sama antara satu jenis benda dengan jenis benda yang lain akan mempunyai besar hambatan listrik yang berbeda.
Sifat benda terhadap laju aliran listrik yang diberikan kepadanya disebut sebagi resitivitas dan dipakai simbol rho (ρ) untuk menuliskannya. Sedangkan besar tahanan atau hambatan (resisitivitas) benda terhadap arus listrik dinyatakan dalam satuan Ohm (Ω).
Dengan memperhatikan perbedaan perilaku benda terhadap arus listrik, kita bisa membedakan benda benda kedalam 3 jenis yang berbeda : Penghantar listrik / konduktor, isolator dan semikonduktor.
Konduktor Listrik
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwa setiap benda mempunyai perilaku yang berbeda ketika diberikan aliran listrik. Sifat benda ini dikenal dengan resistivitas benda. Semakin tinggi nilai resistivitas suatu benda akan membuat semakin sulit benda tersebut dialiri arus listrik. Begitu pun sebaliknya, makin rendah nilai resisitivitas benda maka akan semakin mudah menghantarkan arus listrik.
Konduktor merupakan sifat benda yang dapat mengalirkan arus listrik karena memiliki nilai resistivitas yang rendah. Nilai resistivitas benda konduktor yang rendah ini memungkinkan dapat menghantarkan aliran listrik dengan mudah karena di dalam susunan partikelnya memiliki banyak elektron bebas. Namun untuk dapat memaksa elektron bebas ini agar mengalir / bergerak dibutuhkan dorongan yang disebut sebagai tegangan listrik.
Saat diberikan tegangan listrik (sumber listrik) partikel elektron bebas yang terkandung di dalam molekul benda konduktor akan bergerak meninggalkan ‘atom induk’ tempat semula dia mengorbit. Elektron elektron bebas tersebut akan bergerak mengalir di sepanjang konduktor menuju tempat yang memiliki sedikit elektron. Aliran pergerakan elektron elektron ini disebut sebagai arus listrik.
Seberapa mudah elektron ini bergerak akan dipengaruhi oleh seberapa kuat ikatan / gaya tarik yang dimiliki oleh atom untuk menahan elektron bebas. Sedangkan seberapa banyak elektron bebas yang mengalir di dalam benda konduktor akan tergantung dari besar nilai resistivitas benda konduktor tersebut. Dimana semakin rendah nilai resistivitasnya akan semakin banyak aliran elektron bebas yang terjadi.
Secara umum benda konduktor yang dapat menghantarkan arus listrik terbuat dari bahan logam. Contohnya jenis tembaga, alumunium, perak, besi dan karbon. Semua bahan bahan yang terbuat dari logam biasanya memiliki nilai resisitvitas yang kecil sehingga baik digunakan sebagai konduktor listrik.
Tembaga merupakan bentuk logam yang mempunyai sifat menghantar listrik paling baik sehingga sering digunakan sebagai penyalur tegangan listrik. Sedangkan beberapa contoh benda logam lainnya meskipun dapat menghantarkan liran listrik namun kurang begitu baik. Karena masih mempunyai nilai resistivitas yang tinggi. Sehingga aliran elektron mendapatkan hambatan yang cukup besar ketika mengalir.
Hambatan yang terjadi terhadap laju aliran elektron umumnya akan menyebabkan timbul panas pada konduktor. Hal ini merupakan konsekuensi perubahan energi listrik menjadi bentuk energi panas akibat daya hambatan yang dilakukan konduktor.
Isolator Listrik
Benda yang termasuk ke dalam golongan jenis isolator listrik memiliki karakteristik kebalikan dari benda konduktor. Biasanya benda benda yang termasuk ke dalam isolator listrik terbuat dari jenis bahan non-logam. Benda seperti ini sedikit sekali atau bahkan tidak mengandung elektron bebas pada struktur molekul atomnya. Hal ini karena elektron elektron yang berada pada kulit terluar atom sangat tertarik dengan kuat oleh inti atom yang bermuatan positif. Sehingga elektron elektron tersebut akan sulit untuk bergerak bebas apalagi sampai meninggalkan inti atom.
Meskipun jika kita memberikan dorongan berupa tegangan listrik, elektron di dalam partikel benda isolator tidak akan bisa bergerak meninggalkan inti atomnya.
Benda isolator juga umumnya mempunyai nilai hambatan yang sangat tinggi sehingga akan sulit bagi elektron untuk bergerak mengalir di dalamnya. Nilai hambatan yang tinggi ini tidak akan mudah berubah meskipun benda isolator mengalami pemanasan yang tinggi. Sebagai contoh kayu yang merupakan jenis benda isolator. Meskipun kayu dibakar dengan suhu yang tinggi dan bahkan berubah menjadi bentuk arang, tetap saja mempunyai hambatan timggi. Sehingga tetap tidak bisa menghantarkan listrik.
Benda isolator sangat berguna di dalam rangkaian listrik dan elektronika sebagai penyekat tegangan. Karena tanpa adanya benda isolator, maka akan selalu terjadi hubungan singkat pada rangkaian listrik. Akibatnya rangkain kelistrikan tidak dapat bekerja sebagaimana fungsinya.
Teori Dasar Bahan Semikonduktor
Contoh bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah : Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Gallium Arsenide (GeAs). Ketiga bahan tersebut mempunyai sifat berada di tengah tengah antar bersifat konduktor dan isolator. Hal tersebut terjadi karena ketiganya tidak mempunyai jumlah elektron bebas yang banyak di dalam partikel molekul penyusunnya. Sehingga tidak begitu mudah menghantarkan arus listrik.
Elektron elektron bebas yang jumlahnya sangat sedikit di dalam partikel atom bahan semikonduktor tidak mudah untuk mengalir keluar meninmggalkan inti atom. elektron elektron tersebut terjebak di dalam kelompok yang disebut dengan kisi kristal. Elektron bebas ini hanya dapat mengalir ketika dalam kondisi tertentu saja.
Aliran elektron bebas di dalam bahan semikonduktor dapat ditingkatkan dengan menambahkan atom pengotor ke dalam susunan kisi kristal pada partikel atomnya. Sehingga akan dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik.
Dengan penambahan atom pengotor ini akan meningkatkan jumlah elektron bebas atau lubang di dalam susunan partikel atomnya sehingga memungkinkan terjadinya pergerakan elektron bebas.
Namun untuk memungkinkan terjadinya aliran listrik di dalam bahan semikonduktor, kita harus membuat dua buah titik (kutub). Kedua kutub di dalam semikonduktor tersebut memiliki potensial muatan berbeda. Titik yang satu bermuatan posistif dan titik yang lainnya bermuatan negatif, sehingga dimungkinkan terjadi aliran arus listrik di dalam materi semikonduktor ketika diberikan tegangan.
Pembuatan kutub pada bahan semikonduktor ini dilakukan dengan cara menyuntikkan atom pengotor ke dalam bahan atom bahan semikonduktor. Proses ini dikenal dengan nama doping.
Proses dopingyang dilakukan pada materi semikonduktor murni seperti silikon akan menghasilkan karakter baru silikon menjadi bentuk jenis lain. Karakter tersebut dapat berupa menjadi bahan semikonduktor type N yang mempunyai kelebihan elektron, atau menjadi bentuk type P yang memiliki kelebihan lubang.
Struktur Atom Bahan Semikonduktor Silikon Type-N
Silikon merupakan salah satu jenis bahan semikonduktor yang banyak digunakan di dalam pembuatan komponen elektronika aktif. Sebelum diberikan atom pengotor pada proses doping, partikel silikon murni tersusun dari atom dengan 4 buah elektron valensi. Elektron valensi adalah elektron elektron yang berada di lapisan kulit atom paling luar.
Keempat elektron valensi yang dimiliki oleh setiap atom silikon akan saling berbagi dengan atom atom di dekatnya. Sehingga membentuk orbital penuh yang terdiri dari 8 elektron. Struktur ikatan antara dua atom silikon terbentuk sedemikian rupa sehingga tiap atom akan saling berbagi satu buah elektron valensi. Dengan struktur demikian ikatan antar atom di dalam partikel silikon menjadi stabil.
Pada silikon murni hanya terdapat sangat sedikit elektron bebas di dalam partikel molekulnya. Sehingga sebagai unsur murni, silikon termasuk bahan isolator terhadap arus listrik. Atau paling tidak memiliki nilai hambatan yang sangat tinggi sehingga sulit untuk dilewati aliran listrik.
Agar bahan semikonduktor silikon dapat menghantarkan arus listrik, maka kita harus mendoping silikon dengan menggunakan atom pengotor. Atom pengotor yang ditambahkan ke dalam atom silikon murni biasanya dari unsur atom Antimon, Arsenik atau Fosfor. Atom partikel pengotor yang ditambahkan pada atom silikon tersebut memiliki 5 buah elektron valensi dan sering disebut sebagai pengotor pentavalent.
Dengan penambahan atom pengotor yang mempunyai 5 elektron valensi ke dalam atom silikon murni, memungkinkan terjadinya ikatan baru yang saling berbagi elektron. Karena silikon murni hanya mengandung 4 buah elektron valensi, maka yang membentuk ikatan orbit dari elektron valensi atom pengotor dengan atom silikon cuma 4 buah saja. Dengan begitu akan tersisa satu buah elektron bebas yang tidak terikat.
Proses penyuntikan atom pengotor ini dilakukan dengan menanmbahkan 1 atom pengotor ke dalam 10 juta lebih atom silikon murni. Sehingga menghasilkan satu bahan semikonduktor baru yang memiliki kelebihan jumlah elektron. Karena elektron memiliki muatan negatif maka jenis semikonduktor baru ini disebut sebagai semikonduktor type-N.
Dengan kata lain dapat dikatakan bahwa semikonduktor type-N terbentuk karena jumlah elektron valensi atom pengotor (donor) lebih banyak dibandingkan dengan jumlah elektron valensi bahan dasar semikonduktor murni.
Struktur Atom Bahan Semikonduktor Silikon Type-P
Berbeda dengan proses doping yang dilakukan pada pada pembuatan semikonduktor type-N, pada pembentukan semikonduktor type-P bahan pengotor yang diberikan hanya mempunyai 3 elektron valensi. Sehingga ketika ditambahkan pada bahan silikon murni akan terbentuk ikatan yang tidak lengkap karena seperti diketahui setiap atom silikon memiliki 4 buah elektron valensi. Ikatan yang tidak lengkap tersebut akan menghasilkan lubang yang tidak terisi oleh elektron.
Lubang yang terbentuk karena ketidak lengkapan ikatan elektron tersebut akan diisi oleh elektron valensi dari atom yang berada didekatnya. Namun ketika elektron valensi tersebut mengisi kekosongan lubang, maka akan menghasilkan lubang baru akibat ditinggal oleh elektron yang mengisi lubang tadi.
Demikian proses saling mengisi dan terbentuk lubang baru akibat ditinggalkan oleh elektron tersebut berlangsung. Lubang lubang yang terbentuk pada proses doping mengandung muatan posistif. Sehingga semikonduktor yang memilki kelebihan lubang tersebut disebut sebagai semikonduktor type-P.
Bahan pengotor yang diberikan pada silikon murni saat proses doping untuk membentuk semikonduktor type-P biasanya menggunakan partikel atom Boron (B). Atom Boron memiliki 3 buah elektron valensi yang berada di orbit paling luar dan sering disebut sebagai Trivalent.
Kesimpulan
Dari uraian tentang teori dasar pembentukan bahan semikonduktor kita dapat mengambil kesimpulan bahwa bahan semikonduktor type-N terbentuk dari proses doping yang menyuntikkan bahan pengotor yang memiliki jumlah elektron valensi lebih banyak daripada silikon murni. Sehingga menghasilkan semikonduktor yang mempunyai kelebihan elektron yang bermuatan negatif.
Sedangkan semikonduktor type-P terbentuk dari prose doping dengan menyuntikkan atom pengotor yang jumlah elektron valensinya lebih sedikit dengan jumlah elektron valensi partikel atom silikon murni. Sehingga menghasilkan semikonduktor yang memiliki jumlah lubang yang lebih banyak. Sementara lubang lubang tersebut dikenal sebagai bermuatan positif.
