Semikonduktor

 Semikonduktor

Semikonduktor adalah elemen atau senyawa dengan pita yang terisi  hanya sedikit di bawahnya, tetapi tidak tumpang tindih dengan pita kosong. Perbedaan antara isolator dan semikonduktor hanyalah ukuran dari celah energi, dan tidak ada perbedaan yang tajam di antara mereka. Semikonduktor intrinsik (yaitu semikonduktor dalam bentuk murni) adalah konduktor listrik yang jauh lebih buruk daripada logam karena, agar konduksi terjadi dalam semikonduktor, elektron harus tereksitasi dari orbital dalam pita valensi ke dalam pita konduksi yang kosong. 

Gambar diatas menunjukkan bagaimana ini terjadi. Sebuah elektron yang diberi energi eksitasi lebih besar dari atau sama dengan celah pita (Misalnya) memasuki pita konduksi dan meninggalkan lubang bermuatan positif (h1, tidak adanya elektron ikatan) di pita valensi. Baik elektron dan lubang berada dalam orbital yang terdelokalisasi, dan keduanya dapat bergerak dalam bidang listrik, seperti halnya elektron yang bergerak dalam logam. (Lubang bermigrasi ketika sebuah elektron di orbital terdekat bergerak ke dalam lubang, sehingga menciptakan lubang baru di orbital terdekat.) Elektron dan lubang bergerak berlawanan arah dalam medan listrik. 

Silikon, semikonduktor yang sangat penting dalam elektronik, memiliki celah pita 1,94 x 10-22 kJ, atau 1,21 elektron volt (eV). Ini adalah energi yang dibutuhkan untuk membuat satu elektron dan satu lubang atau, dengan kata lain, energi yang dibutuhkan untuk memutus satu ikatan Si-Si. Energi ini dapat disuplai secara termal atau dengan menggunakan cahaya dengan energi foton yang lebih besar dari celah pita. Untuk mengeluarkan satu mol elektron dari pita valensi ke pita konduksi, diperlukan energi. 

Untuk silikon, sejumlah besar energi diperlukan, jadi ada sangat sedikit elektron dan lubang seluler (sekitar satu elektron dalam satu triliun — yaitu, 1 dalam 1012 — tereksitasi secara termal pada suhu kamar); karena itu konduktivitas silikon murni sekitar 1011 kali lebih rendah daripada logam yang sangat konduktif seperti perak. 

Jumlah elektron tereksitasi secara termal sebanding dengan e2Eg / 2RT. Menambah suhu atau mengurangi energi celah pita menyebabkan konduktivitas yang lebih tinggi untuk semikonduktor intrinsik. Insulator seperti intan dan silikon dioksida (kuarsa), yang memiliki nilai Eg yang sangat besar, memiliki konduktivitas 1015 hingga 1020 kali lebih rendah daripada kebanyakan logam. 

Konduktivitas listrik semikonduktor dapat sangat ditingkatkan dengan doping dengan pengotor. Misalnya, silikon, elemen Grup 4A, dapat didoping dengan menambahkan sejumlah kecil elemen Grup 5A, seperti fosfor, atau elemen Grup 3A, seperti boron. 

Gambar diatas menunjukkan efek penggantian fosfor untuk silikon dalam struktur kristal (silikon memiliki struktur yang sama dengan berlian). Ada cukup banyak orbital pita valensi untuk mengakomodasi empat elektron valensi dari atom fosfor. Namun, atom fosfor memiliki satu lebih banyak elektron (dan satu lagi proton dalam nukleusnya) daripada silikon. Elektron kelima memasuki orbital berenergi lebih tinggi yang terlokalisasi dalam kisi dekat atom fosfor; energi orbital ini, yang disebut tingkat donor, tepat di bawah pita konduksi, dalam celah energi. Sebuah elektron dalam orbital ini dapat dengan mudah terdelokalisasi ketika sejumlah kecil energi panas mendorongnya ke dalam pita konduksi. Karena silikon yang didoping fosfor mengandung pembawa, bermuatan negatif (elektron), dikatakan tipe-n yang didoping. 

Doping kristal silikon dengan boron menghasilkan efek yang mirip, tetapi berlawanan. Setiap atom boron menyumbang hanya tiga elektron valensi ke orbital ikatan di pita valensi, dan oleh karena itu sebuah lubang dilokalisasi di dekat masing-masing atom boron. Energi termal cukup untuk memisahkan atom boron bermuatan negatif dari lubang, mendelokalisasi yang terakhir. Dalam hal ini pembawa muatan positif adalah lubang, dan kristal adalah didoping tipe-p. Dalam doping tipe p dan n, konsentrasi dopan yang sangat kecil (hanya satu bagian per miliar) sudah cukup untuk menyebabkan peningkatan konduktivitas yang signifikan. Untuk alasan ini, perlu memurnikan semikonduktor yang digunakan dalam perangkat elektronik.

Bahkan dalam semikonduktor yang didoping, elektron dan lubang bergerak keduanya ada, meskipun satu jenis pembawa lebih dominan. Misalnya, dalam sampel silikon yang didoping dengan arsenik (n-type doping), konsentrasi elektron bergerak sedikit kurang dari konsentrasi atom arsenik (biasanya dinyatakan dalam bentuk atom / cm3), dan konsentrasi lubang gerak adalah sangat rendah. Yang menarik, konsentrasi elektron dan lubang selalu mengikuti ekspresi kesetimbangan yang sepenuhnya analog dengan autodisosiasi air menjadi ion H+ dan OH-. yaitu, di mana konstanta kesetimbangan K eq hanya bergantung pada identitas semikonduktor dan suhu absolut. Untuk silikon pada suhu kamar, K eq = 4,9 x 1019 carrier2/cm6.

Semikonduktor yang diolah sangat penting dalam aplikasi elektronik. Persimpangan p – n dibentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe p dan n. Di persimpangan, elektron dan lubang bebas bergabung, memusnahkan satu sama lain dan meninggalkan atom dopan bermuatan positif dan negatif di sisi yang berlawanan. Distribusi muatan yang tidak merata pada kedua sisi persimpangan menyebabkan medan listrik berkembang dan menimbulkan perbaikan saat ini (elektron dapat mengalir, dengan voltase yang kecil, hanya dari sisi n ke sisi p persimpangan; lubang hanya di arah sebaliknya). Perangkat seperti dioda dan transistor, yang membentuk basis dari sebagian besar sirkuit elektronik analog dan digital, terdiri dari persimpangan p-n.

Sumber :Kenneth W. Whitten, General Chemistry