BAHAN DASAR SEMIKONDUKTOR

Bahan semi konduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya antara konduktor dan isolator. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara ±10-3 Ωm sampai dengan ± 10+3 Ωm. Atom-atom bahan semi konduktor membentuk kristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen. Bahan semi konduktor yang banyak dipakai dalam elektkronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Pada 0 0K SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV. Baik Si maupun Ge mempunyai elektron valensi 4. Ada 2 jenis bahan semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor ekstrinsik ada 2 tipe yaitu tipa P dan tipe N.

1.1    Semikonduktor Intrinsik (murni)
Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor yang tidak ataupun belum terkotori oleh atom-atom asing. Pada 0 oK pita valensi penuh, pita konduksi kosong sehingga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal pada suhu kamar ada lektron pada pita valensi yang energinya melebihi energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan ini disebut hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan electron
Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0 oK bersifat sebagai isolator, dan pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor karena adanya pembentukan pasangan-pasangan elektron bebas hole yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan. Jika konsentrasi (jumlah per volume) elektron bebas dalam semi konduktor instrinsik dinyatakan dengan ni dan konsentrasi hole dengan pi maka berlaku
ni = pi                             (III.1)
Ketergantungan konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor instrinsik n terhadap suhu dapat ditentukan berdasarkan statistik Fermi Dirac, dan menghasilkan formulasi sebagai berikut :
ni2 = AoT3 ϵ-EGO/kT                                 (III.2)
Ao = tetapan tak bergantung suhu
T = suhu kelvin
EGO = energi gap pada 0 oK dalam eV   
K = konstante Bolzman dalam eV/oK
ϵ= 2,7
Daya hantar jenis dan tahanan jenis semikonduktor intrinsik
diberikan oleh persamaan-persamaan
σ= eni (µn + µp)                                 (III.3)
                                  (III.4)
σ= daya hantar listrik
ρ= tahan jenis
µn = mobilitas elektron bebas
µp = mobilitas hole

1.2    Semikonduktor Ekstrinsik (tidak murni)
Semi konduktor ekstrinsik adalah semikonduktor instrinsik yang mendapat pengotoran (doping) atomatom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara
1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1 juta. Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa muatan saja (Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk memperbesar daya hantar listrik.
Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau Ga. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat kecil, maka setiap atom pengotor hanya bervalensi 3 maka hanya menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga ada kekurangan (kekosongan = lubang = hole).
Dengan demikian pengotoran ini menyebabkan meningkatnya jumlah hole atau dengan kata lain hole sebagai pembawa muatan mayoritas. Sedang pembawa muatan moniritasnya adalah elektron bebas yang terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena pembawa muatan mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor tipe P. Dalam hal ini P kependekan dari kata positif, yakni jenis muatan mayoritasnya.
Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan positif, tetapi semikonduktor ini tetap netral, seperti halnya semikonduktor tipe N. Karena atom pengotor menyediakan kekurangan, maka disebut aseptor (atom aseptor).
Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni. (lihat gambar 6.3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada tabel 6.3.
Tabel 6.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodic






1.2.1  Semikonduktor tipe-P
Tipe-P kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu Atom-atom pengotor (dopan) mempunyai tiga elektronvalensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak  berpasangan yang disebut lubang (hole).
Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor ).
1.2.2    Semikonduktor tipe- n
Semikonduktor tipe N ialah semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti As, Pb, P. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat
kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-atom asli. Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak terikat dalam ikatan kovalen sehingga menjadi elektron bebas.
Dengan demikian pada bahan ini jumlah elektron bebas akan meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang terbentuk akibat suhu) menjadi pembawa
muatan minoritas. Karena pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang elektron bebas bermuatan negatif, maka  semikonduktor yang terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. dalam hal ini N kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif. Semikonduktor ini tetap netral.
Semikonduktor jenis n adalah semikonduktor intrinsik yang  bercampur dengan atom lain sehingga menaikkan jumlah electron negatif yang bebas. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron