Mikroprosesor yang terdiri dari rangkaian semikonduktor untuk melakukan berbagai macam instruksi pada komputer. Sumber: pixabay.com
Dari artikel sebelumnya, kita telah membahas tentang perbedaan antara semikonduktor dengan konduktor dan isolator berdasarkan dari pita energinya. Sekarang, kita akan membahas tentang unsur yang memiliki sifat semikonduktor ini.
Poin utama:
- Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang tidak tercampur oleh unsur lain.
- Bahan-bahan semikonduktor intrinsik ini dapat ditemukan pada unsur semi logam atau metalloid.
- Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor intrinsik yang dicampuri oleh unsur lain untuk mengubah sifat kelistrikannya.
- Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor yang dicampuri oleh unsur bervalensi 5, sehingga memiliki elektron yang lebih. Di sisi lain semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor yang pengotornya bervalensi 3, sehingga mengalami kekurangan elektron.
- Pencampuran semikonduktor dengan unsur lain ini merupakan salah satu contoh dari doping, atau penurunan tingkat kemurnian suatu bahan.
Semi Logam (Semikonduktor Intrinsik)
Pada tabel periodik, bahan-bahan yang memiliki sifat semikonduktor adalah bahan-bahan yang tergolong dalam semi logam atau metalloid, yang memiliki beberapa sifat dari logam dan beberapa pula dari bahan non-logam. Unsur semi logam ini jika diurutkan dari nomor atom terendah hingga tertinggi adalah:
- Boron (B)
- Silikon (Si)
- Germanium (Ge)
- Arsenik (As)
- Antimoni atau stibnite (Sb)
- Tellurium (Te)
Di antara keenam unsur yang disebutkan di atas, silikon adalah unsur atau contoh semikonduktor yang paling sering digunakan sebagai bahan semikonduktor, mengingat bahwa unsur ini kelimpahannya kedua terbesar di kulit Bumi setelah oksigen. Unsur ini memiliki nomor atom 14 dengan elektron valensi sebanyak 4 buah, sehingga dapat membentuk ikatan kovalen dengan unsur lainnya yang sejenis.
Karena celah pitanya yang kecil, elektron-elektron valensi tersebut dapat berpindah ke pita konduksi hanya dengan menambah suhunya. Pada suhu ruangan, silikon memiliki celah pita sebesar 1.1 eV, atau setara dengan 1.7 x 10-19 Joule.
Semikonduktor intrinsik adalah sebutan untuk semikonduktor yang murni, atau dengan kata lain tidak ada unsur lain yang mengotorinya. Contoh dari semikonduktor intrinsik ini dapat kita temukan seperti pada gambar di atas.
Jika kita amati semikonduktor di atas, tampak bahwa tidak ada yang istimewa dari bahan tersebut. Apabila kita berikan medan listrik, bahan ini pada dasarnya hanya dapat bertindak sebagai konduktor atau isolator, seperti halnya kawat atau resistor pada umumnya, bergantung pada suhu yang diberikan pada bahan tersebut. Namun, semikonduktor ini dapat melakukan “sihir”-nya jika kita mengganti beberapa atom semi logam dengan unsur lain, sehingga merusak kemurniannya. Semi konduktor yang sudah tidak murni lagi (impure) disebut sebagai semikonduktor ekstrinsik.
Semikonduktor Ekstrinsik
Untuk mengetahui cara kerja semikonduktor ekstrinsik, kita perlu meninjau kembali susunan atom silikon di atas atau kristal silikon lebih dekat. Jika kita amati, kita akan menemukan bahwa setiap atom silikon tersebut dikelilingi oleh delapan elektron valensi, baik elektron dari atom itu sendiri maupun dari tetangganya. Sekarang, bagaimana jika satu dari atom-atom silikon tersebut diganti dengan unsur yang memiliki elektron valensi sebanyak 5, seperti fosfor (P)? Perhatikan gambar berikut ini.
Seperti yang telah kita lihat, karena fosfor bervalensi 5, maka ketika menggantikan salah satu dari atom silikon, akan terjadi kelebihan elektron dalam kristal, sehingga elektron yang berlebih tersebut akan “berenang” di dalam semikonduktor. Namun, perlu diketahui bahwa elektron tersebut masih berada dalam kulit atom pengotornya (fosfor), dan energi yang dibutuhkan untuk menaikkan tingkat energi menuju pita konduksi menjadi lebih kecil. Karena kelebihan elektron ini, semikonduktor ini disebut sebagai semikonduktor ekstrinsik tipe-n.
Pada semikonduktor tipe-n ini sebaran tingkat energi elektronnya dapat digambarkan seperti gambar berikut. Warna abu-abu menandakan tingkat energi yang ditempati oleh elektron pada suhu mutlak.
Elektron berlebih dari pengotor tadi menempati tingkat energi yang sedikit berada di bawah pita konduksi. Ini artinya semikonduktor ini dapat lebih mudah menghantarkan listrik hanya dengan penambahan sedikit suhunya saja.
Tentu saja tidak hanya fosfor saja yang bisa kita gunakan sebagai pengotor untuk membuat semikonduktor tipe-n. Kita juga bisa menggunakan unsur lain yang juga memiliki elektron valensi sebanyak 5, seperti nitrogen, arsenik, atau antimoni.
Sekarang, bagaimana jika unsur pengotor tersebut adalah boron (B)? Boron memiliki 3 elektron valensi, satu lebih sedikit dari silikon, sehingga hasilnya akan kita peroleh seperti berikut ini.
Kali ini, kita memperoleh adanya defek atau kekurangan elektron pada kristal, yang direpresentasikan dengan hole. Adanya hole ini menyebabkan elektron valensi pada atom tetangganya dapat berpindah-pindah untuk menutupi hole yang ada, tanpa perlu berpindah tingkat energi menuju pita konduksi. Perpindahan ini dapat terjadi jika ada energi yang diterima oleh elektron-elektron walaupun dalam jumlah. Semikonduktor ekstrinsik ini disebut sebagai tipe-p.
Jika kita lihat distribusi penempatan tingkat energi elektronnya, jumlahnya yang menempati pita valensi menjadi semakin kecil karena adanya hole ini. Kita bisa lihat seperti di bawah ini.
Alternatifnya, kita juga bisa menggunakan unsur lain dengan elektron yang bervalensi 3 untuk membuat semikonduktor tipe-p, seperti aluminum dan galium.
Pengotoran kristal dengan unsur lain untuk mengurangi kemurniannya seperti pada contoh semikonduktor ekstrinsik ini disebut sebagai doping, dan unsur pengotornya biasa disebut sebagai dopant. Namun, kita tidak akan membahas proses doping itu sendiri dalam seri ini karena cukup kompleks sehingga untuk pembahasannya sendiri akan membutuhkan seri tersendiri.
Science and Games 