Bahan Semi Konduktor (Tipe-N dan Tipe-P) - Pengelompokan, Prinsip Kerja, Keuntungan, Aplikasi

Bahan Semi Konduktor (Tipe-n dan Tipe-P)

Semikonduktor dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

Semikonduktor intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni yang tidak diberi doping atau campuran atom lainnya (Contoh Silikon murni dan Germanium murni).

Semikonduktor ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu tipe-N dan semikonduktor tipe-P.

Semikonduktor type n 

Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping) dengan bahan bervalensi lain maka  diperoleh semikonduktor ekstrinsik.  Pada bahan semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama.  Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan yakni hole maupun elektron bebas tersebut.   

Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n.  Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan pospor.  Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada gambar 1  

Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silikon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak mendapatkan pasangan. Oleh  karena itu ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi  lemah dan mudah menjadi elektron bebas.  Karena setiap atom dopan ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.

gambar 1 Struktur kristal semikonduktor (silikon) tipe-n

 Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya.  Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun.  Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole) semakin meningkat.  Sehingga jumlah holenya menurun.

Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat digambarkan seperti pada gambar 2 Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor sangat kecil yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium.  Oleh karena itu pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas.

gambar 2 Diagram pita energi semikonduktor tipe-n

 Bahan semikonduktor type n dapat dilukiskan seperti pada gambar 3  Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang bermuatan positip.  Sehingga digambarkan dengan tanda positip.  Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas.  Dan pembawa minoritasnya berupa hole. 

Semikonduktor type P 

Bila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ke-tidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p.  Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium.  Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti gambar 4.  Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam gambar 4 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa dipenuhi.  Sedangkan tempat yang seharusnya membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole) dan bisa ditempati oleh elektron valensi lain.  Dengan demikian sebuah atom bervalensi tiga akan menyumbangkan sebuah hole.Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron.

Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral.  Karena jumlah hole dan elektronnya sama.  Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas.  Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.

gambar 4 Struktur kristal semikonduktor tipe-p

gambar 5 Diagram pita Energi semikonduktor tipe-p

Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada gambar 5.  Jarak antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon.  Dengan demikian hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi elektron valensi untuk menempati hole di level energi akseptor.  Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi yang merupakan pembawa muatan. 

Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti pada gambar 6  Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadi ion yang bermuatan negatip.  Sehingga digambarkan dengan tanda negatip. Pembawa mayoritas berupa hole dan pembawa minoritasnya berupa elektron.

gambar 6 Bahan Semikonduktor tipe-p

Prinsip Kerja P-N Junction

P-N Junction adalah batas pertemuan antara kedua bahan semikonduktor tipe P dan tipe N yang ada didalam sebuah kristal semikonduktor yang merupakan cikal bakal komponen dioda, transistor, dan IC. Pada dasarnya P-N Junction merupakan sebuah blok yang ada didalam komponen tersebut, misalnya sebuah dioda disusun oleh P-N tunggal sedangkan transistor ada dua jenis yaitu P-N-P dan N-P-N.

P-N Junction terjadi karena elektron bebas pada semikonduktor tipe N mengisi “hole” pada semikonduktor tipe P. Area pertemuan ini disebut dengan depletion region atau Area penipisan. Ketika persimpangan P-N terbentuk, beberapa elektron bebas dari area tipe N yang berhasil mencapai pita konduksi bebas akan menyebar dan mengisi lubang (hole) pada area tipe P.

Gambar diatas adalah Prinsip kerja p-n junction semikonduktor

Hal ini meninggalkan ion positif pada sisi semikonduktor tipe N. Kemudian sebuah ruang pengisian muatan terbangun, menciptakan daerah penipisan yang kemudian menghambat transfer elektron lanjut kecuali dibantu dengan meletakkan bias maju di persimpangan yang disebut dengan Forward Biased. Pemberian bias terbalik (Reverse Biased) tidak akan memicu pergerakan elektron didalam semikonduktor sehingga membuat komponen semikonduktor hanya bisa dialiri arus satu arah saja.

Prinsip dasar P-N Junction ini kemudian diterapkan pada komponen elektronika seperti dioda yang bisa berfungsi sebagai penyearah tegangan maupun penahan tegangan arah tertentu. Selain itu penerapan P-N junction juga bisa lebih kompleks lagi pada komponen transistor. Disini dipasang kombinasi tiga bahan semikonduktor, yaitu P-N-P dan N-P-N. Dengan kombinasi ini dapat diperoleh berbagai fungsi seperti penguatan sinyal, pensaklaran elektronis dan sebagainya.

Konstruksi P-N Dioda Junction

Pembuatan dioda p-n junction ada 3 macam yaitu: tumbuh (grown), perpaduan (alloy), dan disebarkan (diffused).

Cara pembuatan dengan menggunakan cara tumbuh (grown) (teknik yang pertama kali digunakan), pada awalnya material semikonduktor dan kotoran tipe-P ditempatkan di wadah kuarsa (senyawa kimia yang terdiri dari satu bagian silikon dan dua bagian oksigen atau biasa disebut silikon dioksida (SiO2)) dan dipanaskan sampai mereka meleleh. Kristal kecil semikonduktor disebut sebagai benih (seed), kemudian diturunkan kedalam pencampuran pada proses peleburan. Benih kristal berputar perlahan dan keluar dari proses peleburan secara perlahan untuk membuat capuran yang melebur melekat di benih. Pencampuran dalam proses peleburan material, pelekatan pada benih, pendinginan dan pengerasan, dianggap karakteristik kristal sama seperti benih. Ketika benih kristal diambil, benih tersebut bergantian doping dengan kotoran tipe-N dan tipe-P. Doping adalah proses penambahan kotoran ke kristal semikonduktor murni untuk meningkatkan nomor IF dari elektron bebas atau nomor dari hole. Ini membuat layer N dan P di kristal seperti tumbuh. Kristal yang dihasilkan kemudian dibagi menjadi beberapa bagian tipe-P-N.

Cara pembuatan semikonduktor dengan cara perpaduan (alloy) sangat gampang. Butiran kecil material trivalent seperti indium, diletakkan diatas kristal semikonduktor tipe-N. Butiran material dan kristal semikonduktor tipe-N dipanaskan sampai melebur dan bergabung dengan kristal semikonduktor. Daerah dimana kedua material bergabung membentuk material tipe-P. Ketika panas di hilangkan, material terkristalisasi dan terbentuk P-N junction padat.9.jpgGambar diatas adalah pembuatan dengan cara perpaduan (alloy)

Gambar diatas adalah pembuatan dengan cara perpaduan (alloy)

Cara pembuatan dengan cara disebarkan (diffused) adalah cara yang paling banyak digunakan sekarang. Sebuah pelindung dengan bukaan ditempatkan pada bagian tipis dari material konduktor tipe-N atau tipe-P yang disebut dengan wafer. Wafer kemudian ditempatkan sebuah pemanggang dan kotoran dalam bentuk gas. Pada tempratur yang sangat tinggi, atom kotoran menembus atau menyebar melalui permukaan yang terpapar oleh wafer. Dalamnya sebaran (diffused) dikontrol oleh panjang dari film dan temperatur.

Gambar diatas adalah Pembuatan dengan cara sebaran (diffused)

Setelah P-N junction terbentuk, dioda harus dikemas (dilapisi) untuk melindungi dari lingkungan dan tekanan mekanis. Kemasan harus menyediakan sebuah cara untuk disambungkan dengan sirkuit. Pembuatan bentuk ditentukan dari tujuan atau aplikasi dari dioda tersebut. Jika arus mengalir melalui dioda, kemasan harus di desain untuk menjaga junction supaya tidak terlalu panas (overheating).

Keuntungan penggunaan P-N Dioda

P-N junction dioda merupakan bentuk yang paling sederhana dari seluruh peralatan semikonduktor. Berikut beberapa keuntungan penggunaan P-N junction secara umum dalam bidang elektronika:

P-N junction dioda dapat digunakan untuk mengkonversi arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC).

Jika dioda bias maju, memungkinkan arus mengalir. Di sisi lain, jika bias balik, ia menghalangi aliran arus. Dengan kata lain, dioda p-n junction aktif saat bias maju dan tidak aktif saat bias balik (yaitu bertindak sebagai saklar). Dengan demikian, dioda persimpangan p-n digunakan sebagai saklar elektronik dalam rangkaian logika digital[

Aplikasi P-N Junction untuk Solar Cell

Solar sel merupakan perangkat yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik secara langsung melalui efek fotovoltaik. Prinsip kerja dari solar sel yaitu memanfaatkan tumbukan oleh foton dari cahaya matahari terhadap elektron pada komponen semikonduktor p-n junction, misalnya seperti silikon yang telah melewati proses doping sebelumnya. Elektron yang bertumbukan dengan foton kemudian akan bergerak melalui hole pada arah tertentu, gerakan inilah yang kemudian menghasilkan listrik.

Gambar diatas adalah solar sel dengan silikon tipe-p dan tipe-n

Saat ini, solar sel berbahan dasar silikon masih menguasai pasar solar sel di dunia, selain industrinya yang sudah mapan, efisiensi yang dihasilkan cendrung tinggi. Bahan silikon dapat digunakan sebagai solar sel karena sifat konduktivitasnya yang dapat diubah-ubah dengan menambahkan suatu atom asing atau pengotor. Teknik tersebut dinamakan dengan teknik doping. Proses doping dilakukan bertujuan untuk memberikan kondisi kelebihan elektron (N-Type) dan kekurangan elektron (P-Type) sehingga memungkinkan terjadinya pergerakan electron

Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood

         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.

        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.

        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-

        tice-Hall, Inc.