Semikonduktor

semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator listrik dan konduktor listrik. Bahan semikonduktor terdiri dari 4 elektron valensi.[1] Jenis bahan semikondutor yang umum digunakan ialah karbon, germanium, dan silikon.[2] Berdasarkan jenis dopingnya, bahan semikonduktor terbagi menjadi dua tipe yaitu tipe P dan tipe N.[3] Suatu semikonduktor bersifat sebagai isolator listrik jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan nilai besaran arus listrik tertentu. Namun pada temperatur, arus listirk, tata cara dan persyaratan kerja tertentu, semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spesifikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Semikonduktor digunakan pada berbagai alat semikonduktor.

Sifat kelistrikan suatu material, termasuk semikonduktor, dapat dijelaskan dengan menggunakan diagram pita energi. Diagram pita energi menjelaskan bahwa dari sekumpulan atom-atom yang terkumpul rapi membentuk struktur kristal tertentu, hanya ada sejumlah tingkat energi yang dapat ditempati oleh elektron. Elektron akan menempati tingkat energi yang rendah terlebih dahulu. Pita terakhir yang diisi oleh elektron disebut pita valensi. Sejumlah tingkat energi setelah pita valensi disebut pita konduksi. Jarak antara tingkat energi terendah di pita konduksi dan tingkat energi tertinggi di pita valensi disebut celah pita. Pada silikon, celah pita ini bernilai 1.1 eV.

Material semikonduktor yang terdiri dari unsur-unsur yang sama disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor intrinsik ini memiliki sifat-sifat listrik tertentu pada suhu tertentu, misalnya jumlah muatan pembawa. Pada aplikasinya, kita ingin merekayasa jumlah muatan pembawa ini dengan cara selain merubah suhu, misalnya dengan melakukan doping pada semikonduktor intrinsik. Semikonduktor intrinsik yang telah terdoping ini disebut semikonduktor ekstrinsik.

JenisSunting

Semikonduktor intrinsik yang telah terdoping disebut semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor ekstrinsik dapat dibedakan berdasarkan golongan atom doping.

Semikonduktor tipe PSunting

Semikonduktor tipe P merupakan semikonduktor dengan jumlah elektron yang sangat sedikit. Bahan pembuatan semikonduktor tipe P adalah campuran atom germanium dan atom indium atau atom-atom lain yang memiliki 3 elektron valensi, e.g., boron, aluminium, galium. Semikonduktor tipe P bermuatan positif karena indium memiliki lebih sedikit elektron dibandingkan dengan germanium.[4]

Semikonduktor tipe NSunting

Semikonduktor tipe N merupakan semikonduktor dengan jumlah elektron yang sangat banyak. Bahan pembuatan semikonduktor tipe N adalah campuran atom germanium dan atom arsen atau atom-atom lain yang memiliki 5 elektron valensi, e.g. fosfor, arsen, antimoni. Semikonduktor tipe N bermuatan negatif karena arsenikum memiliki lebih banyak elektron dibandingkan dengan germanium.[4]

Sifat kelistrikanSunting

Arus listrikSunting

Kuat arus listrik pada bahan semikonduktor tidak dapat diketahui secara tepat melalui hukum Ohm. Penerapan hukum Ohm hanya berlaku bagi rangkaian listrik yang memiliki arus listrik yang selalu berbanding lurus dengan nilai tegangan listrik yang bekerja. Sebaliknya, bahan semikonduktor tidak selalu memiliki kuat arus listrik yang berada dalam fungsi linear terhadap tegangan listrik yang berlaku. Arus listrik yang mengair melalui bahan semikonduktor dapat menngalami fungsi linear, fungsi kuadrat atau fungsi kubik terhadap nilai tegangan listrik yang bekerja.[5] Pada bahan semikonduktor berlaku efek Hall yang menentukan kerapatan arus listrik yang dinyatakan dalam muatan per satuan volume. Nilai tegangan listrik pada bahan semikonduktor ditentukan oleh pemusatan dari muatan-muatan listrik yang terbawa ke dalam bahan listrik.[6]

Hukum kelistrikanSunting

Hukum ChildSunting

Hukum Child berlaku pada semikonduktor yang hanya memiliki pembawa muatan dalam jumlah yang sangat sedikit. Selain itu, hukum Child hanya berlaku untuk arus listrik yang terbentuk akibat adanya muatan ruang di dalam semikonduktor. Pada semikonduktor, hukum Child hanya diterpakan pada arus listrik yang dihasilkan oleh pembawa muatan hasil injeksi dari elektrode.[7]

Doping SemikonduktorSunting

 
Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor
 
SEM image of a photoresist layer used in semiconductor manufacturing taken on a field electron emission SEM. These SEMs are important in the semiconductor industry for their high-resolution capabilities.

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopan.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar.[butuh rujukan] Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat sering kali digunakan sebagai pengganti logam.

PembuatanSunting

Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) mengganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer.

Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan.

Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan.

Kegunaan praktisSunting

Detektor kristalSunting

Semikonduktor dalam bentuk kristal digunakan untuk pembuatan detektor kristal. Pembuatan detektor kristal mulai dilakukan sejak awal abad ke-20 Masehi sebagai penghubung kawat penghantar yang menerima sinyal radio. Bentuk kawat menyerupai kumis. Bahan semikonduktor yang digunakan yaitu kristal germanium. Keberadaan sinyal radio diketahui melalui efek simpang dari kontak antara kristal dan kawat. Penguatan dan pelemahan dari kuat arus listrik dibatasi oleh elemen padat dan senyawa yang telah mengalami rekayasa secara khusus. Arus listrik yang mengalir terbagi menjadi dua jenis, yaitu elektron bermuatan negatif dan elektron yang kekurangan muatan positif. Elektron yang bermuatan negatif disebut sebagai arus muatan sedangkan yang kekurangan muatan positif disebut sebagai arus lubang. Teori fisika kuantum digunakan untuk memahami prinsip arus muatan dan arus lubang ini.[8]

Sel suryaSunting

Sel surya memanfaatkan semikonduktor yang terdiri dari komponen dioda dengan sambungan P-N. Kegunaan utama dari sel surya adalah menghasilkan efek fotovoltaik yang mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Sel surya digunakan pada pembangkit listrik tenaga surya dalam skala kecil pada daerah terpencil yang tidak memiliki akses listrik. Selain itu, satelit juga menggunakan sel surya sebagai penghasil energi listrik.[9]

Pengukuran intensitas cahayaSunting

Elemen fotolistrik pada bahan semikonduktor digunakan untuk menggantikan peran sel foto. Sel foto digunakan untuk mengukur intensitas cahaya. Peran sel foto yang digantikan oleh semikonduktor ialah ionisasi melalui tumbukan elektron-elektron pada cermin logam.[10]

Sensor suhu penyejukSunting

Sensor suhu pada penyejuk udara umumnya bekerja menggunakan termistor yang memiliki nilai koefisien suhu negatif. Prinsip kerja dari sensor suhu pendingin berbeda dengan sensor suhu pemanas. Pada sensor suhu penyejuk udara, peningkatan suhu ruangan akan membuat nilai hambatan listrik berkurang.[11]

Mesin mobilSunting

Beberapa mesin mobil telah menggunakan prinsip kerja dan bahan semikonduktor untuk melakukan kerja secara mekanika. Pada mobil, bahan semikonduktor dimanfaatkan pada sistem kendali, sistem suspensi, kantung udara, dan rangkaian listrik pengaman. Sistem kerja mobil yang sepenuhnya memanfaatkan bahan konduktor ialah sistem manajemen mesin, sistem rem antiterkunci, sistem transmisi, sistem instrumentasi kelistrikan, modul kendali kelistrikan pada bodi mobil dan kantung udara dengan sistem pengaman tambahan.[12]

ReferensiSunting

  1. ^ Setiyo 2017, hlm. 7.
  2. ^ Listiana, dkk. (2009). Ilmu Pengetahuan Alam 2 (PDF). Surabaya: Amanah Pustaka. hlm. 22–12. ISBN 978-602-8542-06-7. 
  3. ^ Oktavianto, A, Tjahjono, A., dan Wahyu, P. (2017). Elektronika Dasar. Semarang: Politeknik Ilmu Pelayaran Semarang. hlm. 15. ISBN 978-602-99381-9-7. Terdapat 2 jenis semikonduktor yaitu tipe P dan tipe N. 
  4. ^ a b Hasan, M., Fitri, Z., dan Rahmayani, R. F. I. (2017). Ikatan Kimia. Banda Aceh: Syiah Kuala University Press. hlm. 116. ISBN 978-602-5679-04-9. 
  5. ^ Abdullah 2017, hlm. 218.
  6. ^ Abdullah 2017, hlm. 319.
  7. ^ Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 264.
  8. ^ Ponto 2018, hlm. 4.
  9. ^ Ponto 2018, hlm. 50.
  10. ^ Gertshen, Kneser dan Vogel 1996, hlm. 241.
  11. ^ Setiyo 2017, hlm. 18.
  12. ^ Setiyo 2017, hlm. 121.

Daftar pustakaSunting

  1. Abdullah, Mikrajuddin (2017). Fisika Dasar II (PDF). Bandung: Institut Teknologi Bandung. 
  2. Gertshen, C., Kneser, H.O., dan Vogel, H. (1996). Fisika: Listrik Magnet dan Optik (PDF). Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa. ISBN 979-459-693-0. 
  3. Ponto, Hantje (2018). Dasar Teknik Listrik (PDF). Sleman: Deepublish. ISBN 978-623-7022-93-0. 
  4. Setiyo, Muji (2017). Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (PDF). Magelang: Unimma Press. ISBN 978-602-51079-0-0. 

Bacaan lanjutanSunting

  • Nelson, Jenny (2003). Physics of Solar Cells: Photons in, Electrons Out (Properties of Semiconductor Materials). Imperial College Press. ISBN 1-86094-349-7. 
  • Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0. 
  • Turley, Jim (2002). The Essential Guide to Semiconductors. Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-046404-X. 

Lihat pulaSunting

Bidang terkaitSunting

Sub-bidangSunting

KonsepSunting

Pranala luarSunting

Templat:Physics-footer