BAHAN SEMIKONDUKTOR

    Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tata cara tertentu dan persyaratan kerja 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. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

    Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron/doping). Banyak sekali alat elektronika yang menggunakan bahan semikonduktor seperti komputer, laptop, smartphone, televisi, camera dan alat elektronik lainnya.Dengan semikonduktor, peralatan elektronik dapat dibuat lebih kecil dan compact  serta menggunakan daya yang kecil. Semikonduktor menggantikan fungsi tabung sinar katoda yang memiliki ukuran dan daya yang lebih besar.

Tipe atau Jenis Bahan Semikonduktor

   Semikonduktor yang telah dilalui proses Doping yaitu Semikonduktor yang Impurity (ketidakmurnian) atau Semikonduktor Ekstrinsik yang siap menjadi Komponen Elektronika dapat dibedakan menjadi 2 tipe yaitu :

1. N-type Semikonduktor

   Dikatakan N-type karena Semikonduktor jenis ini pembawa muatannya (Charge Carrier) adalah terdiri dari Elektron. Elektron adalah bermuatan Negatif sehingga disebut dengan Tipe Negatif atau N-type. Pada Semikonduktor yang berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Arsenic atau Antimony akan menjadikan Semikonduktor tersebut sebagai N-type Semikonduktor. Terdapat 2 (dua) pembawa muatan atau charge Carrier dalam N-type Semikonduktor yakni Elektron sebagai Majority Carrier dan Hole sebagai Minority Carrier.

2. P-Type Semikonduktor

   Dikatakan P-type karena Semikonduktor jenis ini kekurangan Elektron atau disebut dengan “Hole”. Ketika pembawa muatannya adalah Hole maka Semikonduktor tersebut merupakan Semikonduktor bermuatan Positif. Pada Semikonduktor yang berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Indium akan menjadikan Semikondukter tersebut sebagai P-type Semikonduktor. Dua pembawa muatan yang terdapat dalam P-type Semikonduktor adalah Hole sebagai Majority Carrier dan Elektron sebagai Minority Carrier).

   Berdasarkan kemampuan menghantarkan arus listrik, material/bahan dibedakan atas :

1. Penghantar listrik (Conductor)

2.Bahan dielektrik / isolasi

3. Bahan semikonduktor

   Ditinjau dari nilai resistansi listrik, penghantar/Konduktor mempunyai resistansi yang paling kecil, bahan dielektrik/isolasi mempunyai resistansi yang paling besar, bahan semikonduktor mempunyai resistansi antara resistansi konduktor dan resistansi bahan dielektrik.

Keterangan :

RBD = Resistansi Bahan Dielektrik

RSK = Resistansi Semikonduktor

RK = Resistansi Konduktor

   Ditinjau dari segi celah energi (energi gap), maka konduktor mempunyai energi gap yang sangat kecil, bahan isolasi mempunyai energi gap paling besar dan bahan semikonduktor mempunyai energi gap antara energi gap konduktor dan energi gap bahan dielektrik. Energi gap ketiga bahan tersebut diperlihatkan pada gambar 1. Energi gap untuk Silikon (Si) pada 300^o K adalah 1,1 eV dan untuk germanium (Ge)  0,72 eV. 

   Keistimewaan bahan semikonduktor adalah konduktivitas listrik (daya hantar listrik) dapat ditingkatkan dengan menambahkan unsur ketidak-murnian   (impurity element) melalui suatu proses yang dikenal dengan proses Doping. Unsur ketidak-murnian yang digunakan biasanya disebut unsur dopan.

Sifat-sifat bahan semikonduktor

Sifat-sifat utama bahan semikonduktor murni (tanpa doping) antara lain :

1.   Resistansinya lebih besar dari resistansi konduktor logam, tetapi lebih kecil dari resisitansi bahan dielektrik.

2.   Mempunyai koefisien temperatur negatip. Resistansinya berkurang terhadap kenaikan temperatur (sifat sangat penting).

3.   Mempunyai elektron valensi 4. Artinya pada kulit terluar terdapat empat elektron , setengah dari 8 elektron yang dibutuhkan untuk kondisi stabil. Elektron pada kulit terluar digunakan bersama oleh atom yang saling berdekatan sehingga tidak ada elektron bebas. Ikatan kimia yang terbentuk dengan prinsip penggunaan bersama elektron pada kulit terluar disebut  Ikatan Kovalen.

   Elektron pada kulit terluar digunakan bersama oleh atom-atom yang berdekatan, sehingga tidak ada elektron bebas. Dalam keadaan demikian bahan semikonduktor mempunyai resistansi yang lebih besar dari konduktor atau lebih bersifat bahan isolasi. Sebagai perbandingan, nilai tahanan jenis (ρ) dalam satuan Ω.cm : 2 x 10 ^-6 untuk tembaga (Copper,Cu), 50 untuk germanium (Ge), 50 x 10³ untuk siikon (Si), 2 x 10¹² untuk mika.

   Bahan semikonduktor didapati pada kolom IV dari daftar periodic unsur–unsur kimia. Semikonduktor Silikon (Si) dan Germanium (Ge) disebut Semikonduktor Elementer, karena struktur atomnya hanya terdiri dari satu jenis atom.

Alat dan Komponen Bahan Semikonduktor

   Komponen-komponen Elektronika Aktif yang bahan dasarnya terbuat dari Semikonduktor diantaranya adalah :

• Integrated Circuit
• Transistor
• Dioda

   Komponen-komponen Elektronika yang terbuat dari Semikonduktor merupakan komponen Elektronika yang sangat sensitif dengan ESD (Electro Static Discharge). Oleh karena itu, perlu penanganan khusus dalam produksi terhadap Komponen-komponen tersebut.

Adapun alat-alat dari bahan semikonduktor adalah:

a.)    Transistor

   Piranti tiga terminal atau lebih dikenal sebagai “transistor”. Terdapat dua jenis transistor yaitu : 

1. Transistor bipolar atau BJT (bipolar junction transistor) 
2. Transistor unipolar atau  FET (field-effect transistor).

   Dibandingkan dengan FET, BJT dapat memberikan penguatan yang jauh lebih besar dan tanggapan frekuensi yang lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan mayoritas maupun pembawa muatan minoritas mempunyai peranan yang sama pentingnya.

Gambar  Diagram BJT : a) Jenis NPN dan b) Jenis PNP

   Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis NPN dan jenis PNP. Untuk jenis NPN, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n. Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah disebut “basis” (base), salah satu bagian tipe-n (biasanya mempunyai dimensi yang kecil) disebut “emitor” (emitter) dan yang lainya sebagai kolektor” (collector). 

   Tanda panah pada gambar BJT menunjukkan kaki emitor dan titik dari material tipe-p ke material tipe-n. Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri dari dua sambungan p-n yang berperilaku seperti diode. Setiap diode dapat diberi panjar maju atau berpanjar mundur, sehingga transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian.

   Salah satu modus yang banyak digunakan disebut “modus normal”, yaitu sambungan emitor-basis berpanjar maju dan sambungan kolektor-basis berpanjar mundur. Modus ini juga sering disebut sebagai pengoperasian transistor pada “daerah aktif”.

Gambar Planar

   Pabrikasi BJT dapat dilakukan dengan dua teknik, yaitu struktur transistor-alloy melalui difusi dan struktur transistor planar. Gambar Planar (a) menunjukkan struktur transistor alloy NPN. Kolektor terbuat dari chip semikonduktor tipe-n dengan ketebalan kurang dari 1 mm2. Daerah basis dibuat dengan proses difusi kemudian dibuat kontak logam untuk dihubungkan dengan kaki basis. Daerah emitor dibuat dengan teknik alloy pada daerah basis. Sebagai hasilnya berupa sebuah pasangan sambungan p-n yang dipisahkan oleh daerah basis kira-kira setebal kertas.

   Untuk gambar struktur planar (b), suatu lapisan tipe-n dengan tingkat doping rendah ditumbuhkan di atas substrat n+ (tanda + menunjukkan tingkat doping sangat tinggi). Setelah melalui proses oksidasi pada permukaan, sebuah jendela (window) dibuka dengan proses penggerusan (etching) dan suatu pengotor (p) dimasukkan ke kristal dengan proses difusi untuk membentuk sambungan (junction). Sekali lagi setelah melalui reoksidasi, sebuah jendela kecil dibuka untuk proses difusi pembentukan daerah emitor (n).

   Secara konvensional simbol transistor NPN diperlihatkan pada gambar planar (c) dilengkapi dengan tanda panah pada emitor yang menunjukkan aliran muatan positif. Walaupun sebuah transistor NPN akan bekerja dengan kedua daerah n dapat berfungsi sebagai emitor, namun karena kedua daerah mempunyai tingkat doping dan geometri yang berbeda, maka daerah n yang dimaksud harus diberi label.

b.)    Dioda

   Dioda merupakan salah satu komponen elektronika yang termasuk komponen aktif. Dibawah ini merupakan gambar yang melambangkan dioda penyearah.

P          N

Anoda          Katoda

   Sisi P disebut Anoda dan sisi N disebut Katoda. Lambang dioda seperti anak panah yang arahnya dari sisi P ke sisi N. Karenanya ini mengingatkan kita pada arus konvensional mudah mengalir dari sisi P ke sisi N.

   Dalam pendekatan dioda ideal, dioda dianggap sebagai sebuah saklar tertutup jika diberi bias forward dan sebagai saklar terbuka jika diberi bias reverse. Artinya secara ideal, dioda berlaku seperti konduktor sempurna (tegangan nol) jika dibias forward dan seperti isolator sempurna (arus nol) saat dibias reverse.

   Untuk pendekatan kedua, dibutuhkan tegangan sebesar 0,7 V sebelum dioda silikon konduksi dengan baik. Dioda dapat digambarkan sebagai suatu saklar yang diseri dengan tegangan penghambat 0,7 V. Apabila tegangan sumber lebih besar dari 0,7 V maka saklar akan tertutup. Sebaliknya apabila tegangan sumber lebih kecil dari 0,7 V maka saklar akan terbuka.

   Dalam pendekatan ketiga akan diperhitungkan hambatan bulk (RB). Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga ini adalah sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan 0,7 V dan hambatan RB. Saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7 V maka dioda akan menghantar dan tegangan akan naik secara linier dengan kenaikan arus. Semakin besar arus, akan semakin besar tegangan dioda karena tegangan ada yang jatuh menyeberangi hambatan bulk.

c.)     Mikroprosesor

   Mikroprosesor adalah sebuah IC (Integrated Circuit) yang digunakan sebagai otak/pengolah utama dalam sebuah sistem computer. Mikroprosesor merupakan hasil dari pertumbuhan semikonduktor.

   Pertama kali MIkroprosesor dikenalkan pada tahun 1971 oleh Intel Corp,
yaitu Mikroprosesor Intel 4004 yang mempunyai arsitektur 4 bit. Dengan penambahan beberapa peripheral (memori, piranti I/O, dsb) Mikroprosesor 4004 di ubah menjadi komputer kecil oleh intel.

   Kemudian mikroprosesor ini di kembangkan lagi menjadi 8080 (berasitektur 8bit), 8085, dan kemudian 8086 (berasitektur 16bit). Dilain pihak perusahaan semikonduktor laen juga memperkenalkan dan mengembangkan mikroprosesor antara lain Motorola dengan M6800, dan Zilog dengan Z80nya.

   Mikroprosesor Intel yang berasitektur 16 bit ini kebanyakan di akhiri oleh angka 86, akan tetapi karena nomor tidak dapat digunakan untuk merek dagang mereka menggantinya dengan nama pentium untuk merek dagang Mikroprosesor generasi kelima mereka. Arsitektur ini telah dua kali diperluas untuk mengakomodasi ukuran word yang lebih besar.

Untuk melihat sejarah perkembangan komponen elektronik bisa dilihat dibawah ini:

                                                                   

1904: Dioda tabung pertama kali diciptakan oleh seorang ilmuwan dari Inggris yang bernama Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) 1906: ditemukan trioda hasil pengembangan dioda tabung oleh seorang ilmuwan Amerika yang bernama Dr. Lee De Forest. Yang kemudian terciptalah tetroda dan pentode. Akan tetapi penggunaan dari tabung hampa tersebut tergeser pada tahun 1960 setelah ditemukannya komponen semikonduktor. 1947: Transistor diciptakan di labolatorium Bell. 1965: Gordon Moore dari Fairchild semiconductor dalam sebuah artikel untuk majalan elektronik mengatakan bahwa chip semikonduktor berkembang dua kali lipat setiap dua tahun selama lebih dari tiga dekade. 1968: Moore, Robert Noyce dan Andy Grove menemukan Intel Corp. untuk menjalankan bisnis “INTegrated ELectronics.” 1969: Intel mengumumkan produk pertamanya, RAM statis 1101, metal oxide semiconductor (MOS) pertama di dunia. Ia memberikan sinyal pada berakhirnya era memori magnetis. 1971: Intel meluncurkan mikroprosesor pertama di dunia, 4-bit 4004, yang didesain oleh Federico Faggin. 1972: Intel mengumumkan prosesor 8-bit 8008. Bill Gates muda dan Paul Allen coba mengembangkan bahasa pemograman untuk chip tersebut, namun saat itu masih kurang kuat. 1974: Intel memperkenalkan prosesor 8-bit 8080, dengan 4.500 transistor yang memiliki kinerja 10 kali pendahulunya.

d.)   Thermistor

   Sebuah thermistor dibuat dari bahan semikonduktor. Komponen ini dapat dibuat dalam bentuk piringan, batangan, atau butiran. Thermistor butiran dapat memiliki ukuran diameter yang hanya beberapa milimeter. Pada beberapa thermistor butiran, butir semikonduktor dibungkus oleh sebuah kapsu kaca.

   Karena ukuran kaca yang sangat kecil, thermistor butiran dapat memberikan reaksi yang sangat cepat terhadap prubahan suhu. Thermistor memiliki dua buah kaki terminal. Sebagian besar thermistor memiliki  tahanan yang nilainya akan semakin mengecil dengan bertambahnya suhu. Thermistor jenis ini disebut sebagai thermistor koefsien suhu negatif (negative temperature coefficient) atau thermistor ntc. Thermistor-thermistordengan koefesien suhu yang positif (positive temperature cofficient) (ptc) juga tersedia di pasaran, namun lebih jarang digunakan.

  Thermistor  digunakan di dalam rangkaian-rangkaian pengukur suhu atau yang memberikan tanggapan-tanggapan tertentu terhadap perubahan suhu. Kompnen ini juga dapat digunakan dalam yang akan mengalami gangguan-gangguan, atau bahkan kerusakan, akibat perubahan suhu. Thermistor secara otomatis akan bekerja untuk menetralkan efek perubahan suhu.

e.)     Sel surya

   

   Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf).

   Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon. Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon.

   Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p.

   Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan PN disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan PN tersebut.

   Lantas, bagaimana elektron-elektron yang terlepas dari atom-atom kristal semikonduktor dapat mengalir sehingga menimbulkan energi listrik? Sebagaimana yang kita ketahui bersama, elektron adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut. Ketika semikonduktor sambungan PN disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan PN sebagai arus listrik.

f.)      I C (integrated circuit)

   Integrated Circuit atau disingkat dengan IC adalah Komponen Elektronika Aktif yang terdiri dari gabungan ratusan, ribuan bahkan jutaan Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang diintegrasikan menjadi suatu Rangkaian Elektronika dalam sebuah kemasan kecil. Bahan utama yang membentuk sebuah Integrated Circuit (IC) adalah Bahan Semikonduktor. Silicon merupakan bahan semikonduktor yang paling sering digunakan dalam Teknologi Fabrikasi Integrated Circuit (IC). Dalam bahasa Indonesia, Integrated Circuit atau IC ini sering diterjemahkan menjadi Sirkuit Terpadu.