Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator listrik dan konduktor listrik.  Bahan semikonduktor terdiri dari 4 elektron valensi. Jenis bahan semikondutor yang umum digunakan ialah karbon, germanium, dan silikon. Berdasarkan jenis dopingnya, bahan semikonduktor terbagi menjadi dua tipe yaitu tipe P dan tipe N. 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.

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

Semikonduktor tipe P 
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.

Semikonduktor tipe N 
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.

Sifat kelistrikan

Arus listrik 
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. 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.

Hukum kelistrikan

Hukum Child 
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.

Doping Semikonduktor 

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. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat sering kali digunakan sebagai pengganti logam.

Pembuatan 

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 praktis

Detektor kristal 
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.

Sel surya 
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.

Pengukuran intensitas cahaya 
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.

Sensor suhu penyejuk 
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.

Mesin mobil 
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.

Elektronika daya 
Pada elektronika daya, peralatan semikonduktor utamanya berfungsi sebagai saklar elektronik. Proses pensaklaran menjadi salah satu proses yang utama pada rangkaian elektronika daya. Rangkaian elektronika daya mengadakan pensaklaran dengan kecepatan tinggi. Pengaturan kecepatan didasarkan kepada melalui rangkaian pembangkit pulsa sesuai dengan kebutuhan.   Pada rangkaian elektronika daya, peralatan semikonduktor juga berfungsi untuk mengubah jenis sumber energi. Jenis pengubahan yang paling umum dilakukan adalah pengubahan bentuk dari gelombang listrik. Tujuan pengubahannya adalah untuk penyesuaian antara kebutuhan sumber energi bagi peralatan listrik dengan sumber listrik yang tersedia. Jenis perubahan ini meliputi perubahan dari arus bolak-balik menjadi arus bolak-balik atau menjadi arus searah, maupun arus searah menjadi arus searah atau menjadi arus bolak-balik. Besaran listrik yang diubah bentuk gelombangnya dapat dpilih antara arus listrik ataupun pada tegangan listrik. Fungsi lain dari peralatan semikonduktor pada elektronika daya adalah pengendalian terhadap aplikasi elektronika industri sesuai dengan keinginan. Pengaturan dilakukan terhadap besaran listrik seperti arus listrik, tegangan listrik dan daya listrik. Tujuan pengaturan ini ialah memberikan pengaruh terhadap sistem kerja yang ada pada industri. Pemakaian yang umum di industri antara lain untuk pengaturan kecepatan putaran, pengaturan tekanan, pengaturan suhu, dan pengaturan kecepatan gerakan.

Referensi

Catatan kaki

Daftar pustaka

Bacaan lanjutan

Lihat pula

Bidang terkait 

 Fisika benda padat
 Elektronik
 Kimia benda padat
 Teknik listrik

Sub-bidang 

 Fabrikasi alat semikonduktor
 Alat semikonduktor
 Transistor
 Dioda
 Mikroprosesor
 Thermistor
 Sel surya
 Bahan semikonduktor
 Aluminium arsenide
 Aluminium gallium arsenide
 Boron nitride
 Cadmium sulfide
 Cadmium selenide
 Berlian
 Gallium arsenide
 Gallium nitride
 Germanium
 Indium phosphide
 Silicon
 Silicon carbide
 Silicon germanium
 Silicon on insulator
 Zinc sulfide
 Zinc selenide
 Wide bandgap semiconductors
 Spintronics
 Organic semiconductors
 Melanin

Konsep 

 Conduction band
 Effective mass
 Electron hole
 Exciton
 Quantum tunneling
 Valence band

Pranala luar 
 Howstuffwork's semiconductor page
 Electrical Engineering Training Series  A set of articles on Semiconductors and Transistors
 Semiconductor Technology Information on the Semiconductor Industry.
 NSM-Archive Physical Properties of Semiconductors (such as Si, GaAs and others), including band structure, mechanical, electrical, thermal and optical properies
 Semiconductor Concepts at Hyperphysics, includes intrisic semiconductors, doping, junctures, band theorry, etc.
 Principles of Semiconductor Devices 
 Semiconductor resource launch page 
 Semiconductor glossary
 https://www.youtube.com/ Zoom Into a Microchip (Narrated) 

 
Fisika zat padat
Bahan