KEHANTARAN SEMIKONDUKTOR

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1              LATAR BELAKANG

Semikonduktor merupakan bahan dasar pembuatankomponen aktif elektronika seperti dioda,transistor, dan IC.Semikonduktor juga merupakanbahan yang memiliki kehantaran di antara konduktordan isolator (10⁻⁸- 103(Ωm)⁻¹). Silikon dan germa-nium, yang termasuk kelompok IV dalam sistem pe-riodik, merupakan semikonduktor yang paling banyakdigunakan sebagai bahan dasar komponen elektronika,karena keduanya banyak tersedia di alam. Di sam-ping kedua bahan itu, juga digunakan bahan semikon-duktor paduan, di antaranya silikon-karbon, indium-fosfat, serta berbagai senyawa lainnya.Pada umumnya, bahan semikonduktor peka terhadap suhu, karena itu suhu kerja alat sangat perludiperhatikan.Pembawa muatan mayoritas di dalam semikonduktor tipe- pdan tipe-n, berturut-turutadalah lubang(hole) dan elektron.

            Sehingga pembawa muatandi dalam semikonduktor tipe- p bukan hanya lubangsaja tetapi juga sejumlah kecil elektron. Sebaliknya,di dalam semikonduktor tipe-n juga terdapat sejumlah kecil lubang sebagai pembawa muatan. Pem-bawa muatan yang berjumlah besar dinamakan pembawa muatan mayoritas dan yang berjumlah kecil di-namakan pembawa muatan minoritas karena konsentrasi lubang dan elektron sama besar. Semikonduktor yang demikian itu dinamakan semikonduktor intrinsik dan kosentrasi pembawa muatanya dinamakankosentrasi intrinsik.

1.2              TUJUAN

1. Untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan semikonduktor.

2. Untuk mengetahui hubungan antara suhu dengan hambatan.

3. Untuk mengetahui karakteristik semikonduktor.

4. Untuk mengetahui aplikasi semikonduktor dan thermistor.

                                                                                                                      

BAB 2

LANDASAN TEORI

Dalam bab ini telah kita lihat bahwa susunan semikonduktor serupa dengan susunan isolator kecuali bahwa dalam semikonduktor celah pita lebih sempit. Celah pita untuk semikonduktor biasanya berkisar dari 0,2 eV sampai 2,5 eV, sedangkan celah pita isolator khas seperti intan sekitar 6 eV. Akibatnya, tidak seperti dalam isolator, semikonduktor menunjukkan hantaran listrik sedang pada temperatur kamar. Umumnya istilah semikonduktor digunakan untuk segolongan bahan yang penghantarnya ( konduktivitas ) berada di antara penghantar dan isolator. Pada temperatur kamar, tahanan penghantar yang baik sekitar 10^-6 Ω cm, sedangkan tahanan semikonduktor berkisar 10^-3 sampai 10⁶ Ω cm. Isolator yang baik, sebaliknya mempunyai tahan sekitar 10¹² Ω cm. Disamping itu semikonduktor memiliki sifat-sifat berikut:

(i)                 Semikonduktor murni memiliki koefisien temperatur yang negatif dengan resistansi tidak seperti logam yang memiliki resistansi dengan koefisien temperatur positif.

(ii)                Semikunduktor memberikan daya termolistrik yang tinggi dengan tanda positif atau negatif relatif terhadap logam bersangkutan.

(iii)             Hubungan (juction) antara semikonduktor jenis p dan semikonduktor jenis n menunjukkan sifat-sifat penyearahan

(iv)             Semikonduktor bersifat peka cahaya, membangkitkan baik tegangan foto maupun perubahan resistansi akibat penyinaran cahaya

                   Unsur-unsur germanium ( Ge ) dan silikon ( Si ) dianggap sebagai semikonduktor dasar. Germanium telah digunakan untuk hampir semua peralatan benda padat seperti transistor, tetapi baru-baru ini hampir semua diganti dengan silikon, karena tersedianya silikon tidak terbatas. Disamping itu, rangkaian terpadu ( IC ) pada elektronik saat ini dibuat dari silikon.

            Disamping unsur-unsur semikonduktor, masih ada semikonduktor senyawa yang dengan berhasil digunakan untuk perbuatan peralatan elektronika. Senyawa semikonduktor yang penting adalah sulfida kadnium ( CdS ), sulfida timah ( PbS ), tellurida timah (PbTe ), antimonida indium( InSb ), arsenida gallium ( GaAs ), fosfida indium ( InP ) dan sebagainya. Diantara senyawa-senyawa ini, Cds telah digunakan sebagai pengukuran cahaya; PbS dan PbTe digunakan dalam detektor inframerah. GaAs telag digunakan dalam pembuatan transistor, laser benda padat dan beberapa peralatan frekuensi tinggi khusus.

            Beberapa senyawa semikonduktor membentuk campuran ( alloy ) yang mempunyai sifat-sifat yang penting. Mereka dikenal sebagai semikonduktor alloy. Di antara semikonduktor alloi,  arsenida indium gallium ( Ga_x In_1-x As ) digunakan sebagai alat-alat frekuensi tinggi dan alat-alat optik, tellurida kadnium merkuri ( Hg_1-x Cd_x Te ) digunakan untuk pembuatan detektor inframerah yang efisien, dan fosfida arsenida gallium ( GaAs_x P_1-x ) digunkan untuk pembuatan dioda pemancar cahaya ( LED ).

            Kalau penghantar semikonduktor terutama hanya ditentukan oleh pembawa yang dibangkitkan panas, maka semikonduktor ini disebut semikonduktor murni atau intrisik. Kalau semikonduktor murni dijaga tetap pada 0^oK, pita valensinya terisi penuh dan pita hantaran sama sekali kosong, karena energi panas dari elektron sama dengan nol, karena itu pada 0^o K semikonduktor murni bersifat isolator. Sebaliknya, kalau semikonduktor murni dijaga pada temperatur kamar, beberapa elektron pita valensi memperoleh cukup energi, melompat ke dalam pita hantaran, dan menjadi bebas. Tempat-tempat kosong yang terbentuk dalam pitabvalensi dari semikonduktor kalau beberapa elektron pita valensi melompat ke dalam pita hantaran yang diberi istilah lobang ( hole ). Lobang membawa muatan yang besarnya sama dengan muatan elektron dan jumlah elektron terbangkitkan panas selalu sama dengan jumlah lobang. Jadi, n_i dan p_i berturut-turut menunjukkan konsentrasi elektron dan lobang, maka n_i = p_i. Persamaan n_i atau p_i dinamakan konsentrasi pembawa intrinsik.

            Elektorn dalam pita hantaran dan lobang-lobang dalam pita valensi bebas dan bergerak dalam kristal secara acak akibat energi panas. Tegangan luar yang di berikan ke semikonduktor digabung dengan gerakan panas acak elektron dan lobang menghasilkan kecepatan simpangan      ( drift ). Kecepatan ini menaikkan aliran arus. Jadi, kalau semikonduktor dihubungkan kebaterai, arus disusun oleh elektron-elektron bebas dalam pita hantaran dan lobang-lobang bebas dalam pita valensi. Elektron bergerak menuju elektroda positif sedangkan lobang-lobang bergerak menuju elektroda negatif dari baterai. Arus yang disebabkan oleh gerakan kebalikan dari dua pembawa muatan ini saling menambahkan, karena lobang membawa muatan positif.

            Dalam peristiwa semikonduktor kovalen Ge dan Si, pembangkit elektron dan lobang dan geraknya dapat dimengerti dengan menganggap susunan kristal.

            Germanium merupakan unsur grup IV dari tabel periodik, sehingga masing-masing atom mempunyai empat elektron valensi. Elektron-elektron valensi dipegang oleh ikatan-ikatan kavalen dengan lektron-elektron valensi dari empat atom germanium berdekatan. Kalau satu elektron valensi menerima energi panas yang cukup maka elektron tersebut memutuskan ikatan kovalennya dan menjadi bebas. Satu pasangan elektron lobang dengan demikian muncul. Kalau satu lobang terbentuk, maka elektron valensi yang berdekatan, yang mempunya energi panas yang cukup dapat melompat ke dalamlobang tersebut dan terbentuk kembali ikatan. Dalam hal ini, elektron tersebut membuat lobang pada kedudukan sebelumnya. Hal ini mengakibatkan gerakan lobang dari kedudukan A ke kedudukan B. Jadi, gerakan lobang terjadi menurut arah yang berlawanan dengan arah elektron valensi.

            Sangat mungkin bahwa setiap saat beberapa elektron bebass pada waktu bergerak secara acak di dalam kristal semikonduktor bertemu dengan lobang dan bergabung ( kombinasi ) kembali dengan lobang.  Proses ini dinamakan rekombinasi. Kalau elektron dan lobang bergabung mereka hilang. Laju rekombinasi secara kasar sebanding dengan hasil kali konsentrasi elektron dan konsentrasi lobang. Catatan bahwa energi minimum yang diperlukan untuk pembangkitan pasangan elektron lobang sama dengan energi celah pita. Energi tersebut biasanya diperoleh dari sumber-sumber panas. Demikian pula, kalau elektron melompat dari pita hantaran ke dalam pita valensi dan bergabung dengan lobang. Energi germanium yang dikeluarkan dalam bentuk radiasi elektromagmetis sekali lagi sama dengan energi celah pita. Frekuensi radiasi elektromagnetis yang dipancarkan, v, mengikuti hubungan

                                                E_g = h                                                                                      (2.1 )

di mana E_g adalah celah pita dan h adalah konstanta Planck. Panjang gelombang radiasi sama dengan

λ =  =                                                                                  ( 2.2 )

di mana c kecepatan cahaya dalam ruang bebas^[1].

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan pita konduksi di antaranya adalah diperlukan medan. Sebagai contoh: Si mempunyai celah energi 1 eV ini adalah diperkirakan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak lebih kurang 1 A^o ( 10^-10  m ). Maka dari itu, diperlukan gradien medan lebih kurang 1 V / 10^-10 m untuk menggerakkan elektron dari bagian atas pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun gradien sebesar itu adalah kurang prkatis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yang tumpang tibdih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada jga beberapa elektron yang melintasi celah energi dan hal ini yang menyebabkan terjadinya semikonduksi. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh tambahan. Kristal-ktristal Si dan Ge murni adalah semi onduktor intrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas pita valensi ke bagian pita konduksi karena energi termal adalah penyebab konduksi. Banyak elektron yang terkuat untuk bergerak melintasi celah energi dapat dihitung distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut:

                                                P (E) = 1/ ( 1 + e ) ^{(E-Ef) / K.T}                                                        (2.3)

Ef                    adalah tingkat fermi

K                     adalah konstanta Boltzman sebesar 8,64 . 10^-5 eV/^oK

E – Ef              adalah sama dengan E_g / 2

E_g                    adalah besaran celah energi termal KT pada suhu kamar ( 0,026 eV )

Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 2.3 di atas dapat di tulis:

                                    P (E) = e^{(-Eg / 2KT )}                                                                                   (2.4)

            Pada suhu 0^oC semua elektron berada pada pita valensi. Pada keadaan ini kemungkinan adanya elektron di daerah 0 > E > Ef adalah 10o0 % atau P ( ε ) = 1; semua keadaan terdapat elektron. Untuk E > Ef >, P ( E ) = 0 kemungkinan adanya elektron di daerah E > Ef adalah 0%, semua kedaan di atas Ef adalah kosong kalau energi elektron E sama besarnya dengan kemungkinan     P( E), maka dapat dtuliskan bahwa energi banyaknya elektron n yang melaui celah energi adalah:

                                                N = N e^9-Eg/2KT                                                                           (2.5)

            Karena perpindahan elektron-elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lobang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut. Suatu semikonduktor intrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian, elektron yang lari ke pita konduksi dari pita valensi, misalnya karena panas dapat dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi.

Pada waktu yang sama lubang-lubang pad pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semikonduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh.

            Pada semikonduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambah atau pengotoran dari luar ( extraneous impurities). Proses penyuntikan bahan tambahan terhadap semikonduktor murni disebut doping. Penambahan bahan tersebut kepada semikonduktor murni akan meningkatkan konduktovitas semikonduktor. Suatu kristal silikon yang didoping dengan elemen kolom 5 oada susunan berkala seperti P, As, atau Sb.

            Elektron dari atom posfor adalah bergerak pada medan listrik dari kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta Plack dielektrik dari kristal pada perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar yaitu kira 80 A^o dibandingkan 0,5 A^o dari orbit hidrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke-5 tersebut bebas dan tingkat energinya berdekatan terhadap pita konduksi. Eksistansi elektron ke 5 ke dalam pita konduksi lebih cepat terlaksana daripada eksistansi dari pita valensi kristal Si. Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semikonduktor. Tingkat energi dari elektron ke-5 dinamakan tingkat ke-5 dinamakan tingkat donor. Semikonduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada kolom 4 ( mendonorkan muatan negatif ) disebut semikonduktor tipe-n. Energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron ke-5 masuk ke dalam pita konduksi  disebut energi ionisasi.

            Dibandingkan dengan celah energi, besarnya  energi ionisasi dari atom pengotor adalah sangat kecil. Pada suhu kamar, elektron-elektron tingkat donor sudah dikeluarkan dari pita valensi masuk ke dalam pita konduksi. Kumpulan elektron yang dikeluarkan dari pita valensi pada proses intrinsik.

            Sesuai dengan hukum gerakan massa, hasil dari banyaknya elektron-elektron pada pita konduksi dan banyaknya lubang pada pita valensi harus konstan. Kondisi ini secara akan mengurangi banyaknya lubang pada semikonduktor tipe-n. Elektron-elektron pada pita konduksi menjadi pembawa muatan mayoritas ( majority charge carries ). Sedangkan proses doping kristal Si dengan elemen-elemen kolom 3 antara alain : Ga, Al, In, dapat dijelaskan sebagai berikut:

Aluminium mempunyai 3 elektron pada orbit terluarnya. Sedangkan untuk menyisipkan Si pada kristal ini Al memerlukan elektron ekstra untuk melengkapkan ikatan sekelilingkanya menjadi tetra hedral ( mengikat 4 atom Si ). Elektron ekstra ini dapat diperoleh dari atom Si yang terdekat sehingga menimbulkan lubang pada Si. Atom Al dengan elktron dapat dianggap berputar mengelilingi atom Al.

            Pada suhu 0^o, lubang tetap terikat pada atom pengotor. Kalau suhu dinaikkan, lubang-lubang akan terlepas dari atom-atom pengotor dan menjadi konduksi. Energi ionisasi untuk sebuah ikatan lubang bebas ke pengotorannya kira-kira sama dengan energi ionisasi dari elektron-elektron donor pada kristal yang sama. Tingkat ikatan lubang disebut tingkat akseptor ( aluminium menerima sebuah elektrin ) dan selalu di atas pita valensi.

            Kumpulan lubang-lubang diusahakan dengan eksistasi termal pada Si yang di doping adalah jauh lebih besar daripada yang diusahakan dengan eksitasi dari elektron pada pita konduksi. Menurut hukum gerakan massa, di sini lubang-lubang positif sebagai pembawa mayoritas muatan. Dengan demikian semikonduktor ekstrinsik disebut semikonduktor tipe-p. Pada semikonduktor ekstrinsik, banyaknya elektron pada pita konduksi dan banyaknya lubang pada pita valensi adalah tidak sama apakah elektron atau yang lubangnya lebih dominan tergantung dari tipe proses ekstrinsiknya^[2].

Pada komponen yang memiliki tegangan-berrier seperti tersebut di atas, arus mengalir dalam berbagai jalan tergantung pada polarisasi tegangan yang diberikan. Terdapat elektron-elektron yang dapat berpindah bebas antara logam dan semikonduktor. Elektron-elektron yang berada dalam tingkapan energi diatas E_F + φ_m berada di dalam logam dan elektron dengan tingkapan energi di atas E_C + qV_D berada dalam semikonduktor, yang dapat bergerak bebas, sebab tidak ada barrier yang menghalangi mereka. Dan pula kedua tingkapan energi E_F + φ_m dan E_C + qV_D berada di atas E_F dengan jarak yang sama, yaitu φ_m = E_C + qV_D – E_F. Maka konsentrasi elektron pada logam dan pada semikonduktor sama.

            Sepertinya yang telah diuraikan dengan statistik Fermi, karena di situ tidak ada perbedaan konsentrasi, elektron-elektron yang mengalir dari logam ke semikonduktor mempunyai konsentrasi yang sama dengan arah sebaliknya, maka arus saling menghapuskan, yang menghasilkan arus nol. Dengan bias yang diberikan, semikonduktor mempunyai tingkapan energi qV yang lebih tinggi daripada logam. Akibatnya elektron-elektron pada logam yang dinaikkan dengan φ_M di atas E_F dapat mencapai atau dapat melompati barrier, seperti yang terjadi tanpa bias, dan elektron-elektron  dalam semikonduktor yang dapat melompati berrier terletak pada  tingkatan Fermi dengan jarak qV. Konsentrasi elektron dalam logam yang dapat berrier, sebagai berikut:

                                                n_M = N_c e^{-(Efm + φm – Efm) / kT} = N_c e^-φm/kT                                       (2.6)

dan n_s, yaitu konsentrasi elektron dalam semikonduktor, diturunkan sebagai berikut:

                                                n_s = N_c e^{-(Ec +q(Vd – V) – Efs)/ Kt}                                                         (2.7)

                                                φ_M > E_c + q ( V_D – V ) – E_FS                                                     (2.8)

maka n_M < n_S, maka konsentrasi elektron yang dapat melompati barrier lebih besar yang berlaku yang berada di dalam semikonduktor, dan hasilnya elektron-elektron dengan konsentrasi (n_S – n_M) mengalir dari semikonduktor ke logam, meghasilkan arus dalam arah. Perbedaan konsentrasi elektron itu dapat diturunkan dari persamaan 2.6 dan 2.7 sebagai berikut

                                                n_S – n_M = N_C e^-φm/kT (e^qV/kT – 1)                                                 (2.9)

di mana hubungan ; φ_M = E_C – qV_D – E_FS. Dari pembicaraan diatas terbukti bahwa perbedaan elektron naik sebanding dengan tegangan yang diberikan. Tegangan dalam semikonduktor lebih rendah dengan harga qV: maka tegangan berrier meningkat dari qV_D ke q(V_D + V), berarti didapat berrier lebih tinggi untuk elektron bebas dalam daerah netral. Konsentrasi elektron dalam logam yang dapatbmelompati barrier diberikan oleh persamaan 2.6, dengan jalan yang sama yang berada dalam semikonduktor diberikan seperti di bawah ini:

                                                n_S = N_C e^{-{Ec + q(Vd + V ) – Efc}/kT}                                                    (2.10)

yang berarti n_S < n_M maka:

                                                n_S – n_M = - N_C e^-φm/kT (e^-qV/kT – 1)                                             (2.11)

hasilnya, elektron-elktron dengan konsentrasi (n_M – n_S) mengalir dari logam ke semikonduktor, meghasilkan arus sebanyak dari arah persamaan  berlaku untuk harga V yang cukup besar, maka n_S – n_M = - n_M, yang berarti konsentrasi elektron yang dapat melompati berrier tidak terpengaruh oleh tegangan yang diberikan. Sebagai tambahan karena bagian teratas dari barrier sangat rendah.

            Maka dengan tegangan bias, hanya arus  yang sangat kecil sesuai dengan n_M yang merupakan harga tertinggi yang dapat mengalir dengan bias yang besar, yang merupakan sebaliknya.

            Hubungan p-n merupakan dasar-dasar dari elektronik semikonduktor. Sifat hubungan p-n harus dimengerti benar, ini penting karena merupakan kunsi agar dapat memahami elektronik semikonduktor. Hubungan p-n tidak besi dibentuk hanya dengan hubungan semikonduktor tipe p dan tipe n begitu saja. Akan didapat hubungan p-n bila kita rubah sebagian dari subtrat kristal menjadi tipe-n dengan menambahkan donor dan bagian yang lain menjadi tipe-p dengan menambahkan aseptor. Dengan kata lain harus mempunyai struktur kristal yang kontinu. Ada beberapa cara untuk menghasilkan hubungan p-n yang mempunyai konsentrasi ketidakmurnian. Donor dan aseptor tidak dapat berpindah bebas pada temperatur normal. Aseptor membentuk semikonduktor tipe-p dan donor membentuk tipe-n yang disertai dengan jumlah hole dan elektron itu merupakan pembawa bebas yang dapat dinaikkan tingkatnya ke jalur konduksi dan juga dapat dalam jalur valensi. Pembawa-pembawa ini berdifusi ke daerah yang mempunyai konsentrasi rendah dan berekombinasi satu sama lain. Misalnya karena hole dalam tipe-p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole tipe-n, mereka berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n. Proses yang sama terjadi pada elektron. Tetapi proses ini tidak terjadi terus-menerus. Ambillah misalnya pada hole. Bila ini meninggalkan tipe-pdan hilang kedaerah tipe-n karena berekombinasi, sebuah aseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p itu, yang membentuk muatan ruang negatif.  Keadaan itu disebut keadaan seimbang. Dalam keadaan seimbang di dalam hubungan p-n terbentuk daerah:

(1)   Daerah tipe-p netral: daerah di mana jumlah hole sama dengan jumlah aseptor

(2)   Daerah muatan ruang tipe-p: daerah di mana aseptor diionisasikan negatif

(3)   Daerah muatan ruang tipe-n: daerah di mana donor diionisasikan positif

(4)   Daerah tipe-n netral: daerah di mana jumlah donor sama dengan jumlah elektron

            Daerah-daerah (2) dan (3) bersama-sama disebut daerah muatan ruang atau lapisan deplesi atau dipole listrik. Dalam daerah ini terdapat medan listrik walaupun pada hubungan p-n tidak diberi tegangan. Medan ini disebut medan dalam atau medan builtng. Dalam kedua daerah netral tidak terdapat medan. Medan dalam, dapat ditentukan sebagai berikut: J_n adalah arus elektron, dalam keadaan seimbang sama dengan nol^[3].

Sifat isolator yang dimiliki oleh bahan semikonduktor juga merupakan salah satu kesimpulan yang dapat ditarik dari rendahnya nilai konduktivitas atau kehantaran dari bahan semikonduktor tersebut. Seperti halnya dalam logam dimana pembentukan pita konduksi , yang mengakibatkan menurunnya energi kinetis dari elektron tersebut memainkan sebuah peranan yang vital didalam pengikatan atom-atom. Didalam bahan seperti halnya intan, germanium atau silikon , pita – pita juga terbentuk apabila sejumlah atom dikumpulkan. Akan tetapi didalam kasus-kasus ini elektron-elektron valensi akan membentuk sebuah pita yang sepenuhnya terisi pada temperatur nol.

            Lantaran dalam zat padat terdapat orde 10²³ atom/cm³, setiap tingkat energy tunggal sebelumnya yang terdapat pada atom terisolasi akan terbagi menjadi banyak bagian. Ketika nilai tingkat-tingkat energy kira-kira tetap sama, maka pada penyusunan sejumlah besar atom-atom interaktif adalah ingin membentuk pita-pita tingkat energy kontinu, yang praktis yang terpisah oleh celah dimana di dalamnya tidak terdapat keadaan electron. Cara electron-elektron menempati pita-pita yang tesedia telah dicakup dalam prinsip pengecualian Pauli. Pita-pita tersebut akan diisi oleh electron-elektron dengan cara yang sama dengan keadaan-keadaan electron yang diisi oleh atom-atom banyak electron. Sebagai contoh, ₁₁Na memiliki seluruh tingkat energy yang terisi hingga ke tingkat 3s, yang memuat satu electron, dan konfigurasi elektronnya adalah 1s²2s²2p⁶3s¹. Karena tingkat 3s dapat mengakomodasikan dua electron tingkat 3s ini hanya terisi separuhnya.

            Pita energy paling tinggi ditempati oleh electron-elektron valensi dan pita tidak ditempati yang tepat berada di atasnya akan menetukan sifat-sifat konduksi Kristal zat padat tersebut. Jika pita yang memuat electron-elektron valensi tersebut terisi penuh, maka pita ini dikenal sebagai pita valensi, dan pita tertinggi selanjutnya dikenal sebagai pita konduksi; jika pita yang memuat electron-elektron valensi tersebut tidak terisi penuh, pita ini disebut juga pita konduksi. Konduktor yang baik memiliki pita konduksi yang kira-kira terisi penuh, atau dapat juga berupa pita konduksi yang mengisi pita lebih tinggi selanjutnya secara tumpang-tindih. Dalam situasi seperti ini, sangat mudah untuk menaikkan electron valensi ke tingkat lebih tinggi, sehingga electron-elektron ini dapat dengan mudah memperoleh energy dari suatu medan listrik untuk berpartisipasi dalam kondisi listrik.

            Suatu material isolator memiliki pita valensi tersisi penuh , dan memiliki celah di pita konduksi yang berukuran besar. Sebagai hasilnya, electron-elektron tidak dapat memperoleh energy dengan mudah dari suatu medan listrik, sehingga electron-elektron tersebut tidak dapat berpartisipasi dalam konduksi listrik. Beberapa material memiliki pita valensi yang terisi penuh, namun  memiliki sebuah celah kecil di pita konduksinya. Pada T= 0 K, pita valensi terisi penuh dan pita konduksi kosong, sehingga material tersebut bertindak sebagai isolator. Namun, pada temperature ruang, beberapa elektronnya memperoleh energy thermalyang cukup untuk berada di pita konduksi, dimana electron-elektron tersebut dapat berpartisipasi dalam konduksi listrik. Selain itu, electron-elektron ini meninggalkan “lubang” yang tidak terisi sehingga electron-elektron lain di pita valensi dapat mengisinya selama peristiwa konduksi listrik. Eksitasi electron-elektron ke dalam lubang-lubang ini memiliki efek netto berupa pembawa muatan positif yang mendukung konduksi listrik.

            Pita – pita tambahan pada energi – energi yang lebih tinggi dibentuk dari orbital-orbtal atom yang lebih tinggi namun pada temperatur nol maka pita-pita valensi ini dalam keadaan kosong. Terdapat celah energi yang terdapat diantara pita valensi yang sepenuhnya ditempati dalam pita konduksi kosong pada energ yang lebih tinggi.

            Pada bahan intan celah energi tersebut kira-kira 6 eV. Pada temperatur sebesar 300 K, yang kira-kira sama dengan temperatur pada kamar, celah energi termal rata-rata sebesar 3/2.k_Bτ = 0,04 eV. Sehingga secara virtual tidak ada elektron yang memunyai energi termal yang cukup untuk dieksitasikan dari pita yang teisi kedalam pita konduksi pada suatu temperatur yang pantas.

            Dalam bahan germanium ( E_g = 0,72 eV) , dan pada silikon ( E_g = 1,1 eV), celah energi tersebut jauh lebih kecil, dan beberapa elektron berhasil di eksitasikan secara termal dari pita valensi ke pita konduksi. Sekali elektron-elektron tersebut  berada dalam pita konduksi maka elektron-elektron akan berperilaku persis seperti elektron konduksidi dalam logam. Nilai resistivitas adalah lebih tinggi didalam bahan semikonduktor ini daripada dalam logam, karena jumlah elektron bebas yang bergerak adalah jauh lebih kecil daripada logam. Misalnya , resistivitas pada temperatur kamar dari logam , semikonfuktor , danisolator berturut-turut adalah pada orde 10^-8, 10², 10¹³ ohm m.

            Sebuah sifat daasar yang unik dari bahan semikonduktor adalah kondduksi dari lubang-lubang didalam pita yang terisi tersebut. Bila sebuah elektron dieksitasi ke pita konduksi , maka elektron itu meninggalkan sebuah keadaan kosong atau lubang di dalam pita valensi itu dengan muatan positif efektif . Jika medan listrik dipakaikan maka elektron – elekron yang berada di dekatnya akan meloncat ke lubang-lubang tersebut sehinggan lobang tersebut akan bergerak. Jadi, didalam sebuah medan listrik elektron-elektron di dalam pita konduksi bergerak satu arah dan lubang -lubang di dalam pita valensi bergerak dalam arah lainnya.

Konduktivitas sebuah semikonduktor dapat dieerbesar daengan menambah ketakmurnian ke dalam bahan sampel tersebut. Misalkan, jika beberapa permil arsen ditambahkan pada germanium, maka konduktivitasnya akan bertambah ribuan lipat. Hal ini dikarenakan arsen memiliki satu elektron lebih di kulit terluarnya daripada yang dimiliki oleh germanium. Apabila ditambahkan menjadi sebuah ketakmurnian , maka arsen tersebut akan menggantikan sebuah atom germanium, dan elektron ekstranya akan dibebaskan untuk konduksi , begitu juga galium mempunyai elektron luar kurang daripada yang dimiliki  oleh germanium dan bila hadir sebagai ketakmurnian , maka galium tersebut akan mengambil satu elektron dari germanium yang meninggalkan sebuah lubang.

            Bahan semikonduktor mempunyai banyak kegunaan praktis. Dimaan salahsatunya bahan semikonduktor dapat digunakan sebagai sebuah fotosel untuk digunakan dalam fotografi atau didalam pembuka pintu otomatis. Kuantum-kuantum seri cahaya tampak mempunyai energi sebesar 2 atau 3 eV, yang lebih daripada cukup untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Didalam sebuah medan listrik , arus semi konduktor bertambah sangat besar bila bahan tersebut dbukakan terhadap cahaya dan banyaknya pengangkutan muatan akan bertambah. Jenis-jenis semi konduktor yang saling bersentuhan digunakan didalam beraneka ragam transistor dan alat-alat lain. Aalt -alat ini mempunyai segala-galanya untuk menggantikan tabung vakum yang ditemukan sebelumnya yang telah lama didalam elektronika. Alat-alat tersebut diinginkan karena menggunakan daya yang cukup rendah dan tidak ada masalah pemanasan jika dibandingkan dengan tabung vakum. Juga sifat mekaniknya yang keras dan memiliki ketahanan usia (long life) hampir tak berbatas lamanya ^[4].

            Sambungan p-n diproduksi tidak dengan melekatkan tipe-p dan tipe-n menjadi satu melainkan dengan suatu teknik yang disebut doping, yaitu atom-atom pengotor didifusikan ke dalam bahan. Meskipun semikonduktor tipe-p adalah pembawa lowong positif dan tipe-n adalah pembawa electron, keduanya bersifat netral. Di daerah sambungan, electron dan lowong positif mengadakan rekombinasi sehingga tipe-p kekurangan lowong ( menjadi bermuatan negative ) dan tipe-n kekurangan electron ( menjadi bermuatan positif ). Akibatnya, di dalam hal ini bahan timbul medan listrik internal yang arahnya dari tipe-n ke tipe-p sehingga menghalangi terjadinya rekombinasi lebih lanjut.

            Andaikan suatu tegangan balik ( reverse bias ) dikenakan pada sambungan p-n, yaitu dengan memasang beda potensial di antara ujung-ujungnya dengan kutub positif pada tipe-n dan kutub negative pada tipe-p sehingga menimbulkan medan listrik luar. Medan listrik luar ini semakin menghalangi pembawa muatan ( lowong dan electron ) untuk bergerak dan rekombinasi. Dalam keadaan ini, tidak ada arus yang dialirkan atau hanya sangat kecil, yaitu berasal dari electron dan lowong yang tercipta di daerah sambungan akibat energy termal.

            Jik polaritas potensial yang terpasang terbalik, yaitu kutub positif pada tipe-p dan kutub negative pada tipe-n atau disebut tegangan maju ( forward bias ), maka medan listrik luar ini mengalahkan medan listrik internal sehingga lowong dan electron saling bergerak menuju sambungan untuk rekombinasi. Akibatnya timbul arus listrik.

            Pada banyak aplikasi, salah satu sambungan (sambungan yang dingin) dijaga sebagai temperatur referensi, sedang yang lain dihubungkan pada objek pengukuran. Sensor suhu yang lain akan mengukur suhu pada titik ini, sehingga suhu pada ujung benda yang diperiksa dapat dihitung. Termokopel dapat dihubungkan secara seri satu sama lain untuk membuat termopile, dimana tiap sambungan yang panas diarahkan ke suhu yang lebih tinggi dan semua sambungan dingin ke suhu yang lebih rendah. Dengan begitu, tegangan pada setiap termokopel menjadi naik, yang memungkinkan untuk digunakan pada tegangan yang lebih tinggi. Dengan adanya suhu tetapan pada sambungan dingin, yang berguna untuk pengukuran di laboratorium, secara sederhana termokopel tidak mudah dipakai untuk kebanyakan indikasi sambungan lansung dan instrumen kontrol. Mereka menambahkan sambungan dingin tiruan ke sirkuit mereka yaitu peralatan lain yang sensitif terhadap suhu (seperti termistor atau diode) untuk mengukur suhu sambungan input pada peralatan, dengan tujuan khusus untuk mengurangi gradiasi suhu di antara ujung-ujungnya. Di sini, tegangan yang berasal dari hubungan dingin yang diketahui dapat disimulasikan, dan koreksi yang baik dapat diaplikasikan.

Hal ini dikenal dengan kompensasi hubungan dingin. Biasanya termokopel dihubungkan dengan alat indikasi oleh kawat yang disebut kabel ekstensi atau kompensasi. Tujuannya sudah jelas. Kabel ekstensi menggunakan kawat-kawat dengan jumlah yang sama dengan kondoktur yang dipakai pada Termokopel itu sendiri. Kabel-kabel ini lebih murah daripada kabel termokopel, walaupun tidak terlalu murah, dan biasanya diproduksi pada bentuk yang tepat untuk pengangkutan jarak jauh - umumnya sebagai kawat tertutup fleksibel atau kabel multi inti. Kabel-kabel ini biasanya memiliki spesifikasi untuk rentang suhu yang lebih besar dari kabel termokopel. Kabel ini direkomendasikan untuk keakuratan tinggi. Kabel kompensasi pada sisi lain, kurang presisi, tetapi murah. ^[5]

BAB 3

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1       Peralatan

            1. Termometer

Fungsi: untuk mengukur suhu

            2. Multimeter Digital (Voltmeter)

Fungsi: untuk mengukur tegangan dan hambatan

            3. Galvanometer

Fungsi: sebagai detektor nol adanya arus yang menglir

4.    Kompor Filament

Fungsi: sebagai alat pemanas

5.    Penjepit Buaya

Fungsi: untuk menghubungkan komponen ke peralatan

6.    Statif

Fungsi: sebagai penyangga termometer dan thermistor

7.    Bejana

Fungsi: sebagai tempat meletakkan es batu

8.    EDPOT KN 15

Fungsi: sebagi alat untuk mengukur hambatan, tegangan dan dapat digunakan sebagai       galvanometer

9.    Baterai 4,5 V

Fungsi: sebagai sumber tegangan DC

10. Thermistor

                 Fungsi: sebagai sensor suhu

11. Cok Sambung

Fungsi : sebagai alat untuk menghubungkan listrik ke alat

            12. Kabel Penghubung

                 Fungsi : untuk menghubungkan baterai dengan baterai yang lain

3.2       BAHAN DAN KOMPONEN

            1.  Es Batu

Fungsi: sebagai bahan yang diukur suhunya

3.3       PROSEDUR

            1.  Disediakan peralatan dan bahan yang akan digunakan dalam percobaan

            2.   -   Dihubungkan baterai ke EDPOT KN 15 dengan penjepit buaya

-          Dihubungkan  galvanometer ke EDPOT  KN 15

-          Dihubungkan  multimeter digital  ke EDPOT KN 15

-          Dihubungkan baterai thermistor ke EDPOT   KN 15

            3.  Dipecahkan es batu dan dimasukkan ke dalam bejana, kemudian di letakkan di                          atas kompor filament

            4.  Dimasukkan thermometer dan thermistor ke dalam bejana dan kemudian                                    thermometer dan thermistor dijepit dengan statif agat thermistor dan thermometer                 tidak menyentuh bejana

            5.  Ditunggu suhu thermometer menjadi nol, kemudian diukur hambatan pada                                EDPOT KN 15 dengan melihat penunjukkan galvanometer yaitu apabila                              galvanometer belum menunjukkan angka nol, maka EDPOT KN 15 terus diputar,                      kemudian dicatat hasilnya

            6.  Dilihat penunjukkan tegangan pada multimeter digital pada suhu 0^oC kemudian                        dicatat hasilnya

            7.  Dihidupkan kompor filament agar suhu es naik

            8.  Dilakukan percobaan yang sama seperti pada suhu 0^oC untuk setiap untuk setipa                       kenaikan suhu 2^oC, percobaan diakhiri setelah menunjukkan suhu 10^oC

            9.  Dicatat hambatan dan juga tegangan untuk setiap kenaikan suhu 2^oC dari 0^oC                            sampai dengan 10^oC

        10.Dikembalikan peralatan ke tempat semula

3.4       Skema Rangkaian

            -

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Dari Percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa Sifat-sifat bahan dari semikonduktor           adalah

a) Germanium

Germanium merupakan salah satu bahan semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium diperoleh sebagai serbuk berwarna kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan mereduksi germanium oksida. Selain itu juga dapat diperoleh dari pemurnian kadmium dan seng.

Germanium adalah bahan semi konduktor yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti karbon atau silikon. Spesifikasi germanium adalah sebagai berikut:

Daya hantar panas                                                      : 0,14 Cal/cm dt °C

Kapasitas panas                                                         : 0,08 Cal/gr °C

Koefisien muai panjang (0-100°C)                                        : 6 x       

Titik lebur                                                                : 936°C

Permitivitas                                                              : 16 C²/_{N m}²

Tahanan jenis listrik pada 20°C                               : 0,47 Ω m

Pada temperatur yang rendah, bahan semi konduktor ini bersifat sebagai isolator, kemudian pada suhu yang cukup tinggi, bahan ini berubah sifatnya menjadi bahan penghantar yang baik.

b) Silikon

Sifat-sifat silikon :

Mempunyai mobilitas yang tinggi, konstanta dielektriknya kecil, konduktivitas termis yang besar,  disipasi panas yang baik dan Impurity ionization energy yang sangat kecil

Dari sifat-sifat silikon tersebut diatas, maka silikon banyak digunakan sebagai bahan semi konduktor, misalnya sebagai dioda rectifier, thyristor (SCR), dan lain-lain. Senyawa silikon, SiO (quartz), sering dipergunakan pada alat-alat optik dengan index bias 1,54

c) Gallium Arsenida

                 Memilki sifat yang dapat diatur mengikuti sifat germanium dan silikon.

2.   Dari Percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa hubungan antara hambatan dengan suhu  adalah hambatan berbanding terbalik dengan suhu.Semakin tinggi suhu maka  semakin rendah pula hanbatan.

3. Dari Percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa karakteristik semikonduktor merupakan bahan dasar untuk komponen elektronik seperti pada transistor, maupun IC (integrated circuit). Semikonduktor terdiri dari dua macam yakni intrinsic dan ekstrinsik. Pada semikonduktor  intrinsic bahan penyusunnya murni tanpa pengotor, seperti bahan silikon dan germanium saja, sementara ekstrinsik adalah semikonduktor instrinsik (silicon dan germanium) yang telah     diberi pengotor (doping) unsur III A, B, Al, Gam In, dan Ta.

4.  Dari Percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa aplikasi dari semikonduktor dan        thermistor adalah :

Semikonduktor :                                                         thermistor

-          IC                                                        - sensor suhu

-          Transistor                                             - bateray pac pada hp dan laptop

-          Dioda                                                  - detektor  pada mesin mobil

5.2 Saran

1. Agar praktikan selanjutnya memahami memahami sifat-sifat semikonduktor dan termistor sebelum melakukan percobaan.
2. Agar praktikan selanjutnya memahami bagaimana prosedur percobaan.
3. Agar praktikan selanjutnya mengetahui lebih banyak mengenai kehantaran semikonduktor beserta mengenai semikonduktor tersebut.
4. Agar praktikan selanjutnya berhati – hati selama praktikum berlangsung

DAFTAR PUSTAKA

[1]       Chattopadhyay, D. 2005. DASAR ELEKTRONIKA. Edisi kedua. Jakarta :

                        Universitas Indonesia.

                        Halaman : 85 – 90 .

[2]       Muhaimin, H.A. 1999. BAHAN – BAHAN LISTRIK. Edisi ketiga. Jakarta :  Erlangga.

                        Halaman: 96 – 106 .

[3]      Reko,S Rio.1987.FISIKA DAN TEKNOLOGI SEMIKONDUKTOR.

                       Jakarta : PT Pradnya Paramita.

                       Halaman: 55-62

 [4]      Tooley, Michael. 1998. RANGKAIAN ELEKTRONIK. Edisi kedua. Jakarta : Erlangga.

                         Halaman: 80 – 89 .    

[5]        Http://www.scribd.com/doc/52629002/makalah-semikonduktor.

        Diakses tanggal  06 Desember 2013.