Semikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai
elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral
dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom
tetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.
Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan
erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Gambar 6.1 Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi
Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1
eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari

ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar
6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke
pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen
terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi
kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron
bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan
kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari
ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di
tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama
ke lubang baru.


Gambar 6.2 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen
yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya
elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi
􀀀      

 

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan
sebagai berikut
“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat
adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif
yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya
pengaruh medan listrik”
Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:

dimana

Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada
semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskan
sebagai

dimana i n disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan
germanium diperlihatkan pada tabel 6.1.
Tabel 6.1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K