Apa itu Semikonduktor Intrinsik dan Semikonduktor Ekstrinsik – Pita Energi & Doping?

Semikonduktor, seperti namanya adalah sejenis bahan yang menunjukkan sifat baik konduktor maupun isolator. Bahan semikonduktor membutuhkan tingkat tegangan atau panas tertentu untuk melepaskan pembawanya untuk konduksi. Semikonduktor ini diklasifikasikan sebagai 'intrinsik' dan 'ekstrinsik' berdasarkan jumlah pembawa. Pembawa intrinsik adalah bentuk paling murni dari semikonduktor dan jumlah elektron yang sama (pembawa muatan negatif) dan lubang (pembawa muatan positif). Bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah Silicon (Si), Germanium (Ge), dan Gallium Arsenide (GaAs). Mari kita mempelajari karakteristik dan perilaku semikonduktor jenis ini. Apa itu Semikonduktor Intrinsik? Semikonduktor intrinsik dapat didefinisikan sebagai bahan kimia murni tanpa doping atau pengotor yang ditambahkan ke dalamnya. Semikonduktor intrinsik atau murni yang paling umum dikenal tersedia adalah Silikon (Si) dan Germanium (Ge). Perilaku semikonduktor pada penerapan tegangan tertentu tergantung pada struktur atomnya. Kulit terluar dari Silicon dan Germanium masing-masing memiliki empat elektron. Untuk menstabilkan satu sama lain, atom-atom terdekat membentuk ikatan kovalen berdasarkan pembagian elektron valensi. Ikatan dalam struktur kisi kristal silikon ini diilustrasikan pada Gambar 1. Di sini dapat dilihat bahwa elektron valensi dari dua pasangan atom Si bersama-sama membentuk Ikatan Kovalen. Gambar 1. Ikatan kovalen atom Silikon Pada semua ikatan kovalen stabil dan tidak ada pembawa yang tersedia untuk konduksi. Di sini semikonduktor intrinsik berperilaku sebagai isolator atau non-konduktor. Sekarang jika suhu lingkungan mendekati suhu kamar ikatan kovalen mulai putus. Dengan demikian elektron dari kulit valensi dilepaskan untuk mengambil bagian dalam konduksi. Semakin banyak jumlah pembawa yang dilepaskan untuk konduksi, semikonduktor mulai berperilaku sebagai bahan konduktor. Diagram pita energi yang diberikan di bawah ini menjelaskan transisi pembawa dari pita valensi ke pita konduksi. Diagram pita energi Diagram pita energi yang ditunjukkan pada gambar 2(a) menggambarkan dua tingkat, Pita Konduksi dan Pita Valensi. Ruang antara dua pita disebut celah terlarang Gambar 2 (a). Gambar diagram pita energi Gambar 2(b). Elektron pita konduksi dan valensi dalam semikonduktor Ketika bahan semikonduktor dikenai panas atau tegangan yang diberikan, beberapa ikatan kovalen putus, yang menghasilkan elektron bebas seperti yang ditunjukkan pada gambar 2 (b). Elektron bebas ini tereksitasi dan memperoleh energi untuk mengatasi celah terlarang dan memasuki pita konduksi dari pita valensi. Saat elektron meninggalkan pita valensi, ia meninggalkan lubang di pita valensi. Dalam semikonduktor intrinsik selalu jumlah elektron dan lubang yang sama akan dibuat dan karenanya menunjukkan netralitas listrik. Baik elektron dan lubang bertanggung jawab untuk konduksi arus dalam semikonduktor intrinsik. Apa itu Semikonduktor Ekstrinsik? Semikonduktor ekstrinsik didefinisikan sebagai bahan dengan tambahan pengotor atau semikonduktor yang didoping. Doping adalah proses penambahan pengotor dengan sengaja untuk menambah jumlah pembawa. Unsur pengotor yang digunakan disebut sebagai dopan. Karena jumlah elektron dan lubang lebih besar pada konduktor ekstrinsik, konduktor ini menunjukkan konduktivitas yang lebih besar daripada semikonduktor intrinsik. Berdasarkan dopan yang digunakan, semikonduktor ekstrinsik diklasifikasikan lebih lanjut sebagai 'semikonduktor tipe-N' dan 'semikonduktor tipe-P'. Semikonduktor tipe-N: Semikonduktor tipe-N didoping dengan pengotor pentavalen. Unsur-unsur pentavalen disebut demikian karena mereka memiliki 5 elektron di kulit valensinya. Contoh pengotor pentavalen adalah Fosfor (P), Arsen (As), Antimon (Sb). Seperti digambarkan pada gambar 3, atom dopan membentuk ikatan kovalen dengan berbagi empat elektron valensi dengan empat atom silikon tetangga. Elektron kelima tetap terikat secara longgar pada inti atom dopan. Sangat sedikit energi ionisasi yang diperlukan untuk membebaskan elektron kelima sehingga ia meninggalkan pita valensi dan memasuki pita konduksi. Pengotor pentavalen memberikan satu elektron ekstra ke struktur kisi dan karenanya disebut sebagai pengotor Donor.Gambar 3. Semikonduktor tipe-N dengan pengotor donor Semikonduktor tipe-P: Semikonduktor tipe-P didoping dengan semikonduktor trivalen. Pengotor trivalen memiliki 3 elektron di kulit valensinya. Contoh pengotor trivalen termasuk Boron (B), Gallium (G), Indium (In), Aluminium (Al). Seperti digambarkan pada gambar 4, atom dopan membentuk ikatan kovalen dengan hanya tiga atom silikon tetangga dan lubang atau kekosongan dihasilkan dalam ikatan dengan atom silikon keempat. Lubang bertindak sebagai pembawa positif atau ruang bagi elektron untuk menempati. Jadi pengotor trivalen telah memberikan kekosongan atau lubang positif yang dapat dengan mudah menerima elektron dan karenanya disebut pengotor akseptor.  Gambar 4. Semikonduktor tipe-P dengan pengotor akseptor Konsentrasi Pembawa dalam Semikonduktor Intrinsik Konsentrasi pembawa intrinsik didefinisikan sebagai jumlah elektron per satuan volume pada pita konduksi atau jumlah lubang per satuan volume pada pita valensi. Karena tegangan yang diberikan, elektron meninggalkan pita valensi dan menciptakan lubang positif di tempatnya. Elektron ini selanjutnya memasuki pita konduksi dan mengambil bagian dalam konduksi arus. Dalam semikonduktor intrinsik, elektron yang dihasilkan di pita konduksi sama dengan jumlah lubang di pita valensi. Oleh karena itu konsentrasi elektron (n) sama dengan konsentrasi hole (p) dalam semikonduktor intrinsik. Konsentrasi pembawa intrinsik dapat diberikan sebagai:n_i=n=p Dimana,n_i : konsentrasi pembawa intrinsik n : konsentrasi pembawa elektron p : hole -konsentrasi pembawaKonduktivitas Semikonduktor Intrinsik Sebagai semikonduktor intrinsik dikenai panas atau tegangan yang diberikan, elektron bergerak dari pita valensi ke pita konduksi dan meninggalkan lubang positif atau kekosongan di pita valensi. Sekali lagi lubang ini diisi oleh elektron lain karena lebih banyak ikatan kovalen yang putus. Dengan demikian elektron dan lubang bergerak ke arah yang berlawanan dan semikonduktor intrinsik mulai menghantarkan. Konduktivitas meningkat ketika sejumlah ikatan kovalen terputus sehingga lebih banyak elektron yang dilepaskan lubang untuk konduksi. Konduktivitas semikonduktor intrinsik dinyatakan dalam mobilitas dan konsentrasi pembawa muatan. Ekspresi untuk konduktivitas semikonduktor intrinsik dinyatakan sebagai:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Dimana _i: konduktivitas intrinsik semikonduktor n_i : konsentrasi pembawa intrinsik _e: mobilitas elektron _h: mobilitas lubangSilakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih lanjut tentang Teori Semikonduktor Soal Pilihan

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan