Pada artikel sebelumnya, kita telah mempelajari tentang jenis-jenis semikonduktor, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Namun, kita akan membahas lebih dekat tentang semikonduktor ekstrinsik, karena jenis ini memiliki peranan yang paling penting terhadap teknologi digital yang sering kita jumpai saat ini.
Poin utama:
- P-N Junction adalah titik pertemuan antara semikonduktor tipe-n dan tipe-p.
- Ketika kedua jenis semikonduktor mengalami kontak langsung satu sama lain, akan terjadi peristiwa difusi, yaitu berpindahnya partikel (elektron) dari konsentrasi tinggi menuju konsentrasi rendah.
- Proses difusi elektron mengikuti hukum Fick pertama, dimana perbedaan konsentrasi yang semakin besar untuk setiap titik tertentu menyebabkan fluks atau arus difusi yang juga semakin besar.
Semikonduktor Ekstrinsik
Seperti yang telah kita ketahui, semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor murni yang telah melalui proses doping atau pencampuran dengan unsur lain sehingga mengubah struktur atom beserta sifat kelistrikannya. Kita bisa lihat bahwa semikonduktor yang di-doping ini memiliki struktur atom yang berbeda, yakni beberapa unsur atom semikonduktor intrinsiknya (seperti silikon atau Si) diganti menjadi atom lain yang memiliki elektron valensi yang berjumlah kurang atau lebih dari satu dari atom silikon, seperti boron (B) yang bervalensi 3 dan fosfor yang bervalensi 5.
Keberadaan unsur pengotor atau dopant ini sangat penting untuk mempelajari bagaimana konsep teknologi digital bekerja. Karena adanya dopant ini, bahan semikonduktor akan mengalami kelebihan jumlah elektron (tipe-n) atau kekurangan jumlah elektron (tipe-p).
P-N Junction
Sekarang, kita akan mencoba suatu eksperimen tentang kedua semikonduktor ekstrinsik yang telah kita pelajari dari uraian di atas. Bagaimana jika kedua semikonduktor tersebut bersentuhan satu sama lain? Perhatikan gambar di bawah ini.
Pada gambar ini, kita menyederhanakan struktur semikonduktor ekstrinsik sehingga kita hanya perlu fokus pada 4 partikel saja, yaitu atom donor, atom akseptor, elektron, dan hole (tidak berwujud partikel, namun menandakan kekosongan elektron).
Seperti yang telah kita lihat, begitu kedua semikonduktor ekstrinsik mengalami kontak satu sama lain, wilayah tipe-n memiliki konsentrasi elektron bebas yang lebih tinggi dibanding wilayah tipe-p. Titik kontak ini disebut sebagai pertemuan P-N atau P-N junction. Karena elektron-elektron ini dapat bergerak bebas, maka jika kita tinjau dalam satu dimensi, ada dua kemungkinan kemana masing-masing elektron tersebut akan bergerak, yaitu ke kiri atau ke kanan. Jika elektron bergerak ke arah kiri, tentunya tidak akan terjadi hal yang berbeda, dan konsentrasi elektron di wilayah tipe-n akan sama. Namun, ketika elektron bergerak ke kanan, konsentrasi elektron di wilayah tipe-p akan bertambah. Pertambahan konsentrasi elektron ini akan terus berlangsung hingga terjadi suatu kesetimbangan, atau tidak ada lagi perubahan signifikan terhadap konsentrasi elektron baik di wilayah tipe-n maupun tipe-p. Peristiwa ini disebut sebagai difusi, atau berpindahnya partikel-partikel yang berada dalam konsentrasi tinggi menuju konsentrasi rendah.
Hukum Fick Pertama pada P-N Junction (Arus Difusi)
Ada beberapa cara untuk mengkonfirmasi peristiwa difusi ini secara matematis. Dengan melakukan pendekatan melalui konsep kelistrikan, kita bisa memulai dengan menuliskan ungkapan arus listrik I yang mengalir dalam P-N junction dengan rapat arus J dan luasan sangat kecil (infinitesimal) da.
Pada dasarnya, kita ingin mengetahui kemana elektron-elektron yang berasal dari wilayah tipe-n ini mengalir. Jika total besar muatan elektron yang berpindah adalah Q, maka besar arus listrik dalam sesaatnya adalah
Dengan demikian Persamaan (1) menjadi
Lalu, kita bisa mengalikan ruas kanan dengan dx/dx, sehingga kita peroleh
Kita tahu bahwa dx/dt adalah kecepatan drift dari elektron vd, sehingga menjadi
Kemudian, mengingat bahwa Q bisa kita nyatakan sebagai hasil kali antara jumlah elektron N dengan muatan elementer q (Q = Nq), kita peroleh
Muatan elementer ini merupakan konstanta, sehingga
Jumlah total elektron ini bisa kita nyatakan dalam bentuk konsentrasi elektron n, atau banyaknya elektron per volume yang dinyatakan dalam Ax (luas penampang A kali panjang lintasan tertentu x), dan secara matematis kita tuliskan seperti
Jika kita turunkan terhadap x, kita peroleh
Sehingga jika kita substitusikan ke Persamaan (4), kita peroleh
Di ruas kanan, kita peroleh suku pertama yang merupakan arus drift, atau arus yang hanya dihasilkan oleh adanya medan listrik eksternal. Sedangkan pada suku kedua adalah ungkapan untuk arus difusi yang timbul akibat adanya perbedaan konsentrasi elektron pada tiap nilai x yang berbeda. Arus difusi ini sesuai dengan hukum Fick yang pertama, karena jika kita ambil nilai q negatif (muatan elektron), kita peroleh gradien konsentrasi elektron yang menurun sepanjang x positif, serta arah arusnya yang menuju ke arah x negatif mengikuti arus hole. Semakin besar perbedaan konsentrasi elektronnya, kita akan memperoleh arus difusi yang semakin besar pula.
Ruas kanan pada Persamaan (5) umumnya bisa kita nyatakan dalam bentuk rapat arus drift Jdrift dan rapat arus difusi Jdiff. Dengan menyelesaikan integral pada ruas kiri untuk batas bawah nol dan batas atas A, kita peroleh
atau
dengan
Science and Games 