Band Gap Germanium (BGG)

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur tinggi bersifat sebagai konduktor. Bahan semi konduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan galium arsenide. Semikonduktor dapat diatur sedemikian rupa sehingga dapat bersifat sebagai konduktor dan dapat pula bersifat sebagai isolator. Pada suhu kamar, semikonduktor dapat bersifat sebagai penghantar arus listrik. Semakin besar suhu, maka akan semakin bagus pula sifatnya sebagai bahan konduktor. Hal ini disebabkan karena ketika suhu atau temperatur dinaikkan maka jarak antar pita valensi dan pita konduksi (band gab) akan semakin kecil, sehingga makin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. (http://ariefcute.blogspot.com/2008/05/sifat-dasar-bahan-semikonduktor-bahan.html ).

    A.    Struktur Bahan Semi-konduktor

Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak ( -273°C ), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.

Susunan elektron pada beberapa atom:

Nama Unsur	Lingkar Orbit ( K L M N )	Jumlah Elektron	Elektron Valensi
boron	2 3	5	3
alumunium	2 8 3	13	3
silikon	2 8 4	14	4
fosfor	2 8 5	15	5
galium	2 8 18 3	31	3
germanium	2 8 18 4	32	4
arsenikum	2 8 18 5	33	5
indium	2 8 18 18 3	49	3
antimon	2 8 18 18 5	51	5
barium	2 8 18 18 8 2	56	2

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi. Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung ( indirect bandgab ), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik / optoelektronik. (http://situsresmierzadiego.blogspot.com/2012/01/teori-semikonduktor.html).

    B.     Sifat Konduktor, Isolator, Dan Semikonduktor Pada Pembuatan Komponen Elektronika

Konduktor adalah bahan yang konduktivitasnya tinggi sehingga dapat mengalirkan listrik dengan baik. Konduktor sering disebut dengan penghantar karena dapat menghantarkan arus listrik. Contoh, tembaga, seng, alumunium, baja, dsb. Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik karena konduktivitasnya rendah. Contoh, plastik, kayu kering, karet, kain, dll.

Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll.

Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu:

1.      Jalur Valensi ( Pita Valensi )

Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan atom-atom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi.

2. Jalur Konduksi ( Pita Konduksi )

Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik.

3. Jalur Larangan ( Pita Gab )

Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.

Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gab (Eg). Satuan energi gab adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule.

Energi gab adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gab germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gab yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula. Berikut ini Diagram Pita Energi Germanium :

• Sumbu vertikal menyatakan energi elektron (eV) dan sumbu horizontal vektor gelombang K (pseudo momentum, 2π/a).
•  Dari grafik terlihat bahwa pita valensi terdiri dari dua bagian terpisah karena ikatan spin-garis edar elektron.

 Jurang energi terkecil antar puncak pita valensi dan dasar lembah pita konduksi adalah E_g = 0,66. (http://www.materialsdesign.com/appnote/energy-band-structure-germanium)

     C. Jenis – jenis Semi-konduktor Berdasarkan Bahan Penyusunnya 

a.       Semikonduktor Intrinsik

 Semikonduktor instrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor). Semikonduktor jenis ini memiliki jumlah elektron dan hole (pembawa muatan positif) yang sama. Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas. Elektron valensi pada germanium lebih mudah tereksitai termik menjadi elektron bebas dari pada elektron valensi pada atom silikon, hal ini berhubungan dengan adanya pita pita energi untuk elektron didalam kristal semikonduktor. Dalam atom bebas elektron hanya dapat mempunyai nilai energi tertentu saja.

Dikatakan elektron hanya dapat berada pada tingkat energi tertentu dalam kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak berdekatan didalam susunan yang berkala, maka elektron dapat berada pada pita-pita energi .Oleh adanya prinsip Larangan Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadan orbital atom hanya dapat berisi dua buah elektron saja, maka untuk semikonduktor pita-pita enrgi yang bawah akan terisi penuh hingga suatu pita energi tertentu. Oleh karena setiap atom mempunyai empat buah elektron valensi, maka ada satu pita energi yang terisi penuh dan pita energi berikutnya kosong.

b.      Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawa muatan elektron). Semikonduktor intrinsik dapat diberi unsur tak murni tertentu sesuai dengan karakteristik listrik yang dikehendaki. Atom yang tidak murni yang bervalensi lebih tinggi dari atom semikonduktor murni akan befungsi sebagai donor elektron konduksi dan menghasilkan semikonduktor ekstrinsik jenis–n. Atom tak murni yang bervalensi kurang dari atom semikonduktor murni akan berfungsi sebagai akseptor elektron atau penyumbang lubang konduksi dan menghasilkan semikonduktor ekstrinsik jenis–p. Dalam semikonduktor jenis–n ,elektron dalam pita konduksi merupakan pembawa mayoritas sedangkan dalam semikonduktor jenis-p pembawa mayoritas adalah hole dalam pita valensi. (http://www.its.ac.id/endi/semikonduktor.html)

    D.     Konduktivitas

Konduktivitas adalah kemampuan bahan untuk membawa arus listrik. Konduktivitas bahan yang memiliki resistivitas  dan panjang  serta luas penampang A didefinisikan sebagai :

                                         

Dimana I adalah arus dan V adalah tegangan. Konduktivitas bahan semikonduktor seperti germanium dipengaruhi oleh temperatur secara karakteristik. Berdasarkan rentang temperatur, konduktivitas dapat dibedakan sebagai berikut :

1.      Konduktivitas ekstrinsik ( Rentang I, Temperatur rendah )

Pada temperatur rendah yang terjadi adalah konduktivitas ekstrinsik. Pada rentang ini kenaikan temperatur menyebabkan pembawa muatan dari impuriti teraktivasi.

2.      Deplesi Impurity ( Rentang II, Temperatur medium )

Pada rentang ini, kenaiakan temperatur tidak lagi menghasilkan aktivasi impurity dan konduktivitas konstan.

3.      Konduktivitas intrinsik ( Rentang III, Temperatur tinggi )

Pada temperatur tinggi pembawa muatan intrinsik mendominasi proses konduksi. Pada rentang ini tambahan pembawa muatan diperoleh dari hasil eksitasi termal dari pita valensi ke pita konduksi. Ketergantugan terhadap temperatur dalam kasus ini dinyatakan dalam fungsi eksponensial

                                   

E_g adalah energi gab, k adalah konstanta Boltzman dan T adalah temperatur absolute.

Logaritma dari persamaan ini :

Dengan y = ln  dan x = 1/T ; sebuah persamaan linear pada  dimana

merupakan kemiringan dari garis lurus.

 Dengan mengukur konduktivitas sebagai fungsi temperatur, energi gab germanium dapat ditentukan. (Petunjuk Praktikum Fisika Eksperimen IIA, jurusan Fisika, Unpad 2012 )