Dokumen tersebut membahas tentang semikonduktor, termasuk pengertian, bahan pembuat, model ikatan atom, model pita energi, dan tipe semikonduktor."

1. SEMIKONDUKTOR
SEMIKONDUKTOR
Oleh : Kelompok V
Anggota kelompok :
1. Meidah Rianti
2. M. Renza
3. Ina Rusnani
4. Fitriyana
5. Ester L.S
6. Epilia Nirbaya
7. Isgiandini
8. Fahjri Asrullah

2. SEMIKONDUKTOR
A. Pengertian Semikonduktor
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan
konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan
konduktor. Semikonduktor merupakan material zat padat
yang memiliki harga resistivitas antara 10-5–105 Ω.cm.
Bahan Semikonduktor disebut juga sebagai bahan
setengah penghantar listrik (setengah konduktor) karena
celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil
dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah
energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron
berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain
dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut
(pemberiantegangan, perubahan suhu dan sebagainya).

3. SEMIKONDUKTOR
B. Bahan Pembuat Semikonduktor
Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor
yang pertama kali dieksplorasi adalah germanium, namun
sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti
untuk bahan baku pembuatan divais elektronik maupun
optoelektronik adalah silikon dengan pertimbangan bahan
silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif
murah.
Selain silikon material lain yang banyak dipelajari
dan diteliti adalah material paduan dari golongan II-VI atau
III-V seperti dalam tabel periodik di bawah baik binary
(paduan 2 unsur) maupun ternary (paduan 3 unsur) seperti
ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb, GaNAs

4. SEMIKONDUKTOR
Gambar 1. Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai
bahan semikonduktor

5. SEMIKONDUKTOR
C. Model Ikatan Atom pada Bahan
Semikonduktor
Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang
letaknya saling berdekatan dan saling berikatan satu sama
lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan
kovalen. Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal
tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya ikatan
kristal pada bahan silikon.
Perhatikan Gambar dibawah ini :

6. SEMIKONDUKTOR
Pada Gambar (a) menunjukkan ilustrasi ikatan kovalen dari
atom silikon pada kondisi temperatur nol Kelvin, untuk kasus
ini setiap atom silikon menyumbangkan satu elektron untuk
tiap pasangan ikatan kovalen.
Apabila kristal semikonduktor tersebut diberi energi termal
dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka penambahan
energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan
kovalen, hal ini dapat membangkitkan pasangan elektron-
hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari keadaan
valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang
ditinggalkan elektron akan menjadi hole seperti nampak pada
gambar (b).

7. SEMIKONDUKTOR
D. Model Pita Energi Semikonduktor
Gambar dibawah ini adalah gambar Model pita energi bahan
semikonduktor

8. SEMIKONDUKTOR
Setiap atom penyusun kristal semikonduktor
memiliki sejumlah elektron valensi pada kulit terluarnya
yang menempati keadaan valensi (gambar B), keadaan
elektron valensi ini memiliki tingkat energi yang besarnya Ev.
Elektron valensi ini berkontribusi pada pembentukan ikatan
kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor.
Sedangkan keadaan dimana elektron sudah
terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi
dengan tingkat energi Ec (gambar A). Apabila kristal
semikonduktor tersebut temperaturnya dinaikan maka akan
ada penambahan energi termal yang menyebabkan
terputusnya ikatan kovalen yang terbentuk. Pemutusan
ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas yang
sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi Ec.

9. SEMIKONDUKTOR
Pada gambar C diilustrasikan keadaan elektron
konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan
kovalen, elektron valensi pada tingkat energi Ev akan berpindah
kekeadaan konduksi dengan tingkat energi Ec. Selisih antara
tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini
dinamakan energi celah pita (energy gap) dimana energi gap
tersebut merupakan energi minimal yang dibutuhkan untuk
memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor. Berikut
ini tabel energi gap bahan semikonduktor

10. SEMIKONDUKTOR
E. Tipe Semikonduktor
Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) dan elektron
berfungsi sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus).
Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan
pembawanya, yaitu:
 Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang
belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor)
 Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang
sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping).

11. SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni
yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Proses
aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift”
dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik
pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel
masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak
dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh
medan listrik”
Apabila semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan
terbentuk pasangan elektron-hole dimana elektron
bermuatan negatif dan hole dapat dianggap sebagai muatan
positif. Konsentrasi elektron pada semikonduktor intrinsik
sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan:

12. SEMIKONDUKTOR
Keterangan:
EG = energi celah pita semikonduktor (eV)
B = konstanta bahan (untuk Si = 1,08x1031 K-3cm-6)
T = temperatur (K)
k = konstanta Boltzman (8,62x105 eV/K)
ni ≈ 1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar
Pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan
konsentrasi hole-nya tidak sama hal ini disebabkan oleh
adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor
yang memiliki elektron valensi 5.

13. SEMIKONDUKTOR
Pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan
menyebabkan adanya satu elektron yang tidak terpasangkan
untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini
dapat menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan.
Semikonduktor jenis ini dinamakan semikonduktor tipe-n
(negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron
seperti gambar di bawah.
Gambar 5. Kristal silikon yang diberi pengotor fosfor

14. SEMIKONDUKTOR
Apabila kristal silikon diberi atom pengotor boron yang memiliki
elektron valensi 3 maka akan terbentuk ikatan kovalen yang
tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan (hole) yang
tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan
pembawa pada kristal silikon yang telah diberi pengotor boron
akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga kristal
silikon akan bertipe-p (positif) seperti gambar di bawah.
Gambar 6. Kristal silikon yang telah diberi atom pengotor boron

15. SEMIKONDUKTOR
F. Tipe Arus Listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan
mempengaruhi karakteristik listrik pada bahan tersebut. Ada
dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
 Arus hanyut (drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-
partikel bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan
bergerak (hanyut) dengan laju yang berbanding lurus dengan
medan listriknya.
Laju hanyut elektron vn = -µnE
Laju hanyut hole vp = µpE

16. SEMIKONDUKTOR
dimana:
vn dan vp = laju dari elektron dan hole (cm/s)
µn dan µp = mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
jn = q n µ n E
Rapat arus drift untuk hole adalah:
jp = q p µ p E

17. SEMIKONDUKTOR
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah
penjumlahan dari rapat arus drift elektron dengan rapat arus
drift hole.
jT = jn + jp = q (n µn + p µp)E = σ E
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor :
σ = q(n µn + p µp)
Dan resistivitasnya :
ρ = 1/σ

18. SEMIKONDUKTOR
 Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi
muatan pembawa. Arus difusi akan mengalir dari daerah
yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang memiliki
konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan
gradien konsentrasi yang dirumuskan:
Arus difusi untuk hole:
Arus difusi untuk elektron:

19. SEMIKONDUKTOR
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole
dan elektron.
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan
dari arus drift dengan arus difusi yang dirumuskan pada
Rapat arus total untuk elektron:
Rapat arus total untuk hole:

20. SEMIKONDUKTOR
G. Pita Energi Semikonduktor
Orbital-orbital elektron dalam kristal semikonduktor terbagi
dalam dua kelompok pita energi. Pita yang memiliki energi
rendah dinamakan pita valensi sedangkan pita yang memiliki
energi tinggi dinamakan pita konduksi. Pita valensi dan pita
konduksi dibatasi oleh nilai-nilai energi yang tidak boleh
ditempati elektron.
Daerah terlarang tersebut dinamakan celah energi. Lebar
celah energi didefinisikan sebagai selisih antara energi
terendah dalam pita konduksi dengan energi tertinggi dalam
pita valensi, atau dapat dituliskan:
Dimana:
Eg = Ec – Ev Eg = lebar celah pita energi
Ec = energi terendah dalam pita konduksi
Ev = energi tertinggi dalam pita valensi

21. SEMIKONDUKTOR
Aliran muatan listrik dalam bahan semikonduktor terjadi jika
ada elektron yang meloncat dari pita valensi ke pita konduksi.
Dalam pita valensi, elektron tidak dapat mengalir bebas dalam
logam sehingga mudah mengalir ketika diberi medan listrik.
Dalam pita valensi, elektron tidak dapat mengalir bebas
meskipun diberikan medan listrik yang besar.
Pada suhu mendekati nol Kelvin tidak ada elektron yang
sanggup meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sehingga
semikonduktor bersifat isulator. Jika suhu dinaikkan maka ada
elektron dari pita valensi yang meloncat ke pita konduksi. Makin
tinggi suhu makin banyak elektron yang meloncat ke pita
konduksi sehingga konduktivitas semikonduktor makin besar.
Ketika elektron meloncat ke pita konduksi maka pita valensi
menjadi kekurangan elektron. Lokasi yang ditinggalkan elektron
seolah berperilaku sebagai partikel bermuatan positif.

22. SEMIKONDUKTOR
Partikel ini dinamakan hole. Dalam bahan semikonduktor
murni, jumlah elektron yang meloncat ke pita konduksi
persis sama dengan jumlah hole yang terbentuk di pita
valensi. Dengan demikian, jika ne adalah konsentrasi elektron
pada pita konduksi dan nh adalah konsentrasi hole pada pita
valensi maka untuk semikonduktor murni terpenuhi:
ne = nh
Namu pada bahan semikonduktor untuk aplikasi industri
umumnya bukan semikonduktor murni, tetapi
semikonduktor yang didop dengan atom tertetu. Doping
tersebut menyebabkan terjadinya perubahan konsentrasi
elektron dan hole yang tidak lagi memenuhi persamaan di
atas. Jika atom dopan pada semikonduktor memberikan
sumbangan elektron pada material sehingga menjadi atom
yang bermuatan positif maka dikatakan atom tersebut
sebagai donor (pemberi elektron ).

23. SEMIKONDUKTOR
Sebaliknya jika atom dopan pada semikonduktor menarik
elektron dari pita valensi sehingga menjadi atom yang
bermuatan negatif maka dikatakan atom tersebut sebagai
akseptor. Jika jumlah atom donor lebih banyak dari atom
akseptor maka dinamakan semikonduktor tersebut bertipe
negatif. Sebaliknya jika jumlah akseptor lebih banyak
daripada jumlah atom donor maka dinamakan
semikonduktor bertipe positif.
Karena elektron adalah fermion maka distribusi elektron
pada pita konduksi memenuhi fungsi distribusi Fermi-Dirac:

24. SEMIKONDUKTOR
Populasi elektron pada pita konduksi adalah:
dan jumlah hole pada pita valensi adalah:
dengan:

25. SEMIKONDUKTOR
Hukum Aksi Massa
Sekarang kita hitung perkalian ne dan nh

26. SEMIKONDUKTOR
Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada
temperatur yang sangat rendah, namun pada
temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor . Hal ini
dapat terjadi karena dalam temperatur rendah seluruh
lintasan elektron terisi penuh oleh elektron, dan ketika
dalam temperatur yang tinggi akan ada ikatan-ikatan
yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron-
elektron bebas.

27. SEMIKONDUKTOR
KESIMPULAN
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas
listrik yang berada di antara insulator dan konduktor.
Semikonduktor merupakan material zat padat yang memiliki
harga resistivitas antara 10-5–105 Ω.cm. Semikonduktor
disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik.
Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan
pembawanya, yaitu:
• Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang
belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor)
• Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang
sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping).

28. SEMIKONDUKTOR
Terima Kasih
ありがとう
Kelompok V