BAHAN SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) serta konduktor. Semikonduktor dianggap juga sebagai bahan 1/2 penghantar listrik. Suatu semikonduktor bersifat menjadi insulator apabila tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, tetapi dalam temperatur, arus tertentu, tata cara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi menjadi konduktor, misal menjadi penguat arus, penguat tegangan serta penguat daya. Untuk memakai suatu semikonduktor supaya mampu berfungsi harus tahu spesifikasi dan karakter semikonduktor itu, bila tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi serta rusak. Bahan semikonduktor yang acapkali dipakai adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.
Semikonduktor sangat berguna pada bidang elektronika, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron/doping). Banyak sekali alat elektronika yg menggunakan bahan semikonduktor seperti personal komputer , laptop, smartphone, televisi, camera serta alat elektronika lainnya.Dengan semikonduktor, alat-alat elektronika bisa dibentuk lebih mini dancompact dan menggunakan daya yang kecil. Semikonduktor menggantikan fungsi tabung sinar katoda yang mempunyai berukuran serta daya yg lebih besar .
Tipe atau Jenis Bahan Semikonduktor
Semikonduktor yang sudah dilewati proses Doping yaitu Semikonduktor yg Impurity (ketidakmurnian) atau Semikonduktor Ekstrinsik yg siap sebagai Komponen Elektronika dapat dibedakan menjadi 2 tipe yaitu :
1. N-type Semikonduktor
Dikatakan N-type karena Semikonduktor jenis ini pembawa muatannya (Charge Carrier) merupakan terdiri dari Elektron. Elektron merupakan bermuatan Negatif sebagai akibatnya dianggap dengan Tipe Negatif atau N-type. Pada Semikonduktor yang berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Arsenic atau Antimony akan menjadikan Semikonduktor tadi menjadi N-type Semikonduktor. Terdapat dua (dua) pembawa muatan atau charge Carrier pada 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 dianggap menggunakan “Hole”. Ketika pembawa muatannya adalah Hole maka Semikonduktor tadi adalah Semikonduktor bermuatan Positif. Pada Semikonduktor yg berbahan Silicon (Si), Proses Doping dengan menambahkan Indium akan menjadikan Semikondukter tadi menjadi P-type Semikonduktor. Dua pembawa muatan yang terdapat pada P-type Semikonduktor adalah Hole sebagai Majority Carrier serta Elektron menjadi Minority Carrier).
Berdasarkankemampuan menghantarkan arus listrik, material/bahan dibedakan atas :
1. Penghantar listrik (Conductor)
2.bahan dielektrik / isolasi
3. Bahan semikonduktor
Ditinjau dari nilai resistansilistrik, penghantar/Konduktor memiliki resistansi yang paling mini , bahandielektrik/isolasi memiliki resistansi yang paling akbar, bahan semikonduktormempunyai resistansi antara resistansi konduktor dan resistansi bahandielektrik.
Keterangan :
RBD = Resistansi Bahan Dielektrik
RSK = Resistansi Semikonduktor
RK = Resistansi Konduktor
Ditinjau berdasarkan segi celah tenaga (energi gap), maka konduktor memiliki tenaga gap yang sangat kecil, bahan isolasi memiliki energi gap paling besar serta bahan semikonduktor mempunyai energi gap antara tenaga gap konduktor serta energi gap bahan dielektrik. Energi gap ketiga bahan tersebut diperlihatkan pada gambar 1. Energi gap buat Silikon (Si) dalam 300o K merupakan 1,1 eV dan buat germanium (Ge)0,72 eV.
Keistimewaan bahan semikonduktor merupakan konduktivitas listrik (dayahantar listrik) dapat ditingkatkan dengan menambahkan unsur ketidak-murnian (impurity element) melalui suatu prosesyang dikenal dengan proses Doping.unsur ketidak-murnian yg dipakai biasanya diklaim unsur dopan.
Sifat-sifat bahan semikonduktor
Sifat-sifat primer bahan semikonduktor murni (tanpa doping) antara lain :
1.resistansinya lebih besar dari resistansi konduktorlogam, namun lebih kecil menurut resisitansi bahan dielektrik.
2.mempunyai koefisien temperatur negatip. Resistansinyaberkurang terhadap kenaikan temperatur (sifat sangat penting).
3.mempunyai elektron valensi 4. Artinya dalam kulit terluarterdapat empat elektron , 1/2 berdasarkan 8 elektron yg diharapkan untukkondisi stabil. Elektron pada kulit terluar dipakai bersama sang atom yangsaling berdekatan sebagai akibatnya tidak ada elektron bebas. Ikatan kimia yangterbentuk menggunakan prinsip penggunaan bersama elektron dalam kulit terluardisebut Ikatan Kovalen.
Elektron pada kulit terluar digunakan bersama sang atom-atom yangberdekatan, sehingga nir terdapat elektron bebas. Dalam keadaan demikian bahansemikonduktor mempunyai resistansi yang lebih besar berdasarkan konduktor atau lebihbersifat bahan isolasi. Sebagai perbandingan, nilai tahanan jenis (ρ) pada satuan Ω.cm : 2 x 10 -6 buat tembaga(Copper,Cu), 50 buat germanium (Ge), 50 x 103 buat siikon (Si), 2x 1012 buat mika.
Bahan semikonduktor didapati pada kolom IV dari daftar periodic unsur–unsurkimia. Semikonduktor Silikon(Si) dan Germanium (Ge) diklaim Semikonduktor Elementer, karena strukturatomnya hanya terdiri dari satu jenis atom.
Alat dan Komponen Bahan Semikonduktor
Komponen-komponen Elektronika Aktif yang bahan dasarnya terbuat berdasarkan Semikonduktor antara lain adalah :
- Integrated Circuit
- Transistor
- Dioda
Komponen-komponen Elektronika yg terbuat dari Semikonduktor adalah komponen Elektronika yang sangat sensitif dengan ESD (Electro Static Discharge). Oleh karena itu, perlu penanganan khusus dalam produksi terhadap Komponen-komponen tersebut.
Adapun alat-indera menurut bahan semikonduktor merupakan:
a.) Transistor
Piranti 3 terminal atau lebih dikenal sebagai “transistor”. Terdapat 2 jenis transistor yaitu :
1. Transistorbipolar atau BJT (bipolarjunction transistor)
2. Transistorunipolar atau FET (field-effect transistor).
2. Transistorunipolar atau FET (field-effect transistor).
Dibandingkan menggunakan FET, BJT bisa menaruh penguatan yg jauh lebih akbar serta tanggapan frekuensi yg lebih baik. Pada BJT baik pembawa muatan dominan juga pembawa muatan minoritas memiliki peranan yang sama pentingnya.
Gambar Diagram BJT : a) Jenis NPNdan b) Jenis PNP
Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis NPNdan jenis PNP. Untuk jenis NPN, BJT terbuat berdasarkan lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan taraf doping yg relatif rendah, yang diapit sang 2 lapisan semikonduktor tipe-n. Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah dianggap “basis” (base), keliru satu bagian tipe-n (umumnya memiliki dimensi yg mini ) disebut “emitor” (emitter) dan yang lainya sebagai kolektor” (collector).
Tanda panah pada gambar BJT menerangkan kaki emitor dan titik berdasarkan material tipe-p ke material tipe-n. Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri menurut 2 sambungan p-n yang berperilaku seperti diode. Setiap diode dapat diberi panjar maju atau berpanjar mundur, sebagai akibatnya transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian.
Salah satu modus yg poly dipakai disebut “modus normal”, yaitu sambungan emitor-basis berpanjar maju dan sambungan kolektor-basis berpanjar mundur. Modus ini pula tak jarang diklaim 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) memberitahuakn struktur transistor alloy NPN. Kolektor terbuat berdasarkan chip semikonduktor tipe-n dengan ketebalan kurang menurut 1 mm2. Daerah basis dibuat dengan proses difusi kemudian dibentuk kontak logam buat dihubungkan menggunakan kaki basis. Daerah emitor dibentuk menggunakan teknik alloy pada daerah basis. Sebagai hasilnya berupa sebuah pasangan sambungan p-n yg dipisahkan oleh wilayah basis kira-kira setebal kertas.
Untuk gambar struktur planar (b), suatu lapisan tipe-n dengan taraf doping rendah ditumbuhkan pada atas substrat n+ (tanda + menampakan taraf doping sangat tinggi). Setelah melalui proses oksidasi pada permukaan, sebuah ventilasi (window) dibuka dengan proses penggerusan (etching) dan suatu pengotor (p) dimasukkan ke kristal menggunakan proses difusi buat membangun sambungan (junction). Sekali lagi sesudah melalui reoksidasi, sebuah ventilasi mini dibuka buat proses difusi pembentukan wilayah emitor (n).
Secara konvensional simbol transistor NPN diperlihatkan dalam gambar planar (c) dilengkapi menggunakan pertanda panah pada emitor yg menampakan genre muatan positif. Walaupun sebuah transistor NPN akan bekerja menggunakan ke 2 wilayah n dapat berfungsi sebagai emitor, tetapi lantaran kedua daerah mempunyai taraf doping serta geometri yang tidak sama, maka wilayah n yang dimaksud wajib diberi label.
b.) Dioda
Dioda merupakan keliru satu komponen elektronika yang termasuk komponen aktif. Dibawah ini adalah gambar yg melambangkan dioda penyearah.
P N
Anoda Katoda
Sisi P diklaim Anoda serta sisi N diklaim Katoda. Lambang dioda misalnya anak panah yang arahnya menurut sisi P ke sisi N. Karenanya ini mengingatkan kita dalam arus konvensional gampang mengalir berdasarkan sisi P ke sisi N.
Dalam pendekatan dioda ideal, dioda dipercaya sebagai sebuah saklar tertutup bila diberi bias forward dan menjadi saklar terbuka bila diberi bias reverse. Artinya secara ideal, dioda berlaku seperti konduktor sempurna (tegangan nol) apabila dibias forward dan misalnya isolator paripurna (arus nol) saat dibias reverse.
Untuk pendekatan ke 2, diharapkan tegangan sebanyak 0,7 V sebelum dioda silikon konduksi dengan baik. Dioda dapat digambarkan menjadi suatu saklar yg diseri dengan tegangan penghambat 0,7 V. Jika tegangan sumber lebih akbar menurut 0,7 V maka saklar akan tertutup. Sebaliknya bila tegangan sumber lebih kecil berdasarkan 0,7 V maka saklar akan terbuka.
Dalam pendekatan ketiga akan diperhitungkan kendala bulk (RB). Rangkaian ekivalen buat pendekatan ketiga ini merupakan sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan 0,7 V serta hambatan RB. Saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7 V maka dioda akan menghantar dan tegangan akan naik secara linier menggunakan kenaikan arus. Semakin akbar arus, akan semakin besar tegangan dioda lantaran tegangan ada yg jatuh menyeberangi hambatan bulk.
c.) Mikroprosesor
Mikroprosesor adalah sebuah IC (Integrated Circuit) yang digunakan menjadi otak/pengolah primer pada sebuah sistem computer. Mikroprosesor merupakan hasil berdasarkan 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 mini sang intel.
yaitu Mikroprosesor Intel 4004 yang mempunyai arsitektur 4 bit. Dengan penambahan beberapa peripheral (memori, piranti I/O, dsb) Mikroprosesor 4004 di ubah menjadi komputer mini sang intel.
Kemudian mikroprosesor ini pada kembangkan lagi sebagai 8080 (berasitektur 8bit), 8085, dan lalu 8086 (berasitektur 16bit). Dilain pihak perusahaan semikonduktor laen pula memperkenalkan dan membuatkan mikroprosesor diantaranya Motorola menggunakan M6800, dan Zilog menggunakan Z80nya.
Mikroprosesor Intel yg berasitektur 16 bit ini kebanyakan pada akhiri oleh angka 86, akan tetapi lantaran angka nir bisa digunakan buat merek dagang mereka merubahnya dengan nama pentium buat merek dagang Mikroprosesor generasi kelima mereka. Arsitektur ini sudah dua kali diperluas buat mengakomodasi berukuran word yg lebih besar .
Untuk melihat sejarah perkembangan komponen elektro sanggup dicermati dibawah ini:1904: Dioda tabung pertama kali diciptakan sang seseorang ilmuwan menurut Inggris yang bernama Sir John Ambrose Fleming (1849-1945)1906: ditemukan trioda output pengembangan dioda tabung sang seseorang ilmuwan Amerika yg bernama Dr. Lee De Forest. Yang kemudian terciptalah tetroda dan pentode. Akan tetapi penggunaan menurut tabung hampa tersebut tergeser pada tahun 1960 sehabis ditemukannya komponen semikonduktor.1947: Transistor diciptakan di labolatorium Bell.1965: Gordon Moore berdasarkan Fairchild semiconductor pada sebuah artikel buat majalan elektro berkata bahwa chip semikonduktor berkembang dua kali lipat setiap 2 tahun selama lebih dari tiga dekade.1968: Moore, Robert Noyce serta Andy Grove menemukan Intel Corp. Buat menjalankan usaha “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 pada global, 4-bit 4004, yang dibuat oleh Federico Faggin.1972: Intel mengumumkan prosesor 8-bit 8008. Bill Gates belia dan Paul Allen coba berbagi bahasa pemograman buat chip tersebut, tetapi ketika itu masih kurang bertenaga.1974: Intel memperkenalkan prosesor 8-bit 8080, dengan 4.500 transistor yg memiliki kinerja 10 kali pendahulunya.
d.) Thermistor
Sebuah thermistor dibentuk berdasarkan bahan semikonduktor. Komponen ini dapat dibentuk pada bentuk piringan, batangan, atau butiran. Thermistor butiran bisa memiliki ukuran diameter yg hanya beberapa milimeter. Pada beberapa thermistor butiran, buah semikonduktor dibungkus sang sebuah kapsu kaca.
Lantaran berukuran kaca yg sangat mini , thermistor butiran dapat menaruh reaksi yang sangat cepat terhadap prubahan suhu. Thermistor mempunyai dua butir kaki terminal. Sebagian besar thermistor mempunyai tahanan yang nilainya akan semakin mengecil menggunakan 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) jua tersedia pada pasaran, tetapi lebih sporadis dipakai.
Thermistor digunakan pada pada rangkaian-rangkaian pengukur suhu atau yang menaruh tanggapan-tanggapan tertentu terhadap perubahan suhu. Kompnen ini pula dapat dipakai pada yg akan mengalami gangguan-gangguan, atau bahkan kerusakan, akibat perubahan suhu. Thermistor secara otomatis akan bekerja untuk menetralkan pengaruh perubahan suhu.
e.) Sel surya
Sel mentari adalah suatu devais semikonduktor yang bisa menghasilkan listrik bila diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali menggunakan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor saat diberikan sejumlah energi (hf).
Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya merupakan kristal silikon. Ketika suatu kristal silikon pada-doping dengan unsur golongan kelima, contohnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yg mengakibatkan keluarnya elektron bebas dalam material campuran tadi. Elektron bebas tersebut berasal menurut kelebihan elektron yg dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini merupakan silikon.
Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping sang unsur golongan ketiga, contohnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon menyebabkan munculnya hole yg bermuatan positif dalam semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tadi mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih poly membentuk pembawa muatan waktu diberikan sejumlah tenaga tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p.
Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole menurut tipe-p menuju tipe-n serta difusi elektron berdasarkan tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n serta wilayah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas loka terjadinya perbedaan muatan pada sambungan PN disebut menggunakan daerah deplesi. Adanya disparitas muatan pada wilayah deplesi akan menyebabkan munculnya medan listrik yang bisa menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan keluarnya arus drift. Tetapi arus ini terimbangi sang arus difusi sebagai akibatnya secara keseluruhan tidak terdapat arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan PN tadi.
Lantas, bagaimana elektron-elektron yg terlepas dari atom-atom kristal semikonduktor bisa mengalir sehingga mengakibatkan energi listrik? Sebagaimana yang kita ketahui bersama, elektron merupakan partikel bermuatan yang mampu ditentukan sang medan listrik. Kehadiran medan listrik dalam elektron bisa mengakibatkan elektron beranjak. Hal inilah yg dilakukan pada sel matahari sambungan p-n, yaitu dengan membentuk medan listrik pada sambungan p-n agar elektron bisa mengalir dampak kehadiran medan listrik tadi. Ketika semikonduktor sambungan PN disinari maka akan terjadi pelepasan elektron serta hole dalam semikonduktor tadi. Lepasnya pambawa muatan tadi menyebabkan penambahan bertenaga medan listrik pada wilayah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini beranjak lantaran adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sebagai akibatnya secara keseluruhan didapatkan arus berupa arus drift, yaitu arus yg dihasilkan lantaran kemunculan medan listrik. Arus inilah yg kemudian dimanfaatkan sang sel surya sambungan PN sebagai arus listrik.
f.) I C (integrated circuit)
Integrated Circuit atau disingkat dengan IC adalah Komponen Elektronika Aktif yg terdiri dari adonan ratusan, ribuan bahkan jutaan Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yg diintegrasikan sebagai suatu Rangkaian Elektronika pada sebuah kemasan kecil. Bahan utama yang membangun sebuah Integrated Circuit (IC) merupakan Bahan Semikonduktor. Silicon adalah bahan semikonduktor yang paling seringkali digunakan pada Teknologi Fabrikasi Integrated Circuit (IC). Dalam bahasa Indonesia, Integrated Circuit atau IC ini tak jarang diterjemahkan sebagai Sirkuit Terpadu.
