Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Sekilas Seputar Semikonduktor

Semikonduktor telah memberikan pengaruh besar dan menjadi bagian yang tak terpisahkan dalam peradaban manusia saat ini. Kita bisa menemukan semikonduktor pada jantung chip mikroprosesor hingga pada transistor. Nyaris semua peralatan elektronik bergantung sepenuhnya pada keberadaan semikonduktor. Sementara itu, kebanyakan chip dan transistor berbasis semikonduktor terbuat dari unsur semikonduktor silikon. Mungkin kita pernah mendengar ekspresi seperti Silicon Valley (“Lembah Silikon”) dan Silicon Economy (“Ekonomi Silikon”), itulah sebabnya silikon merupakan unsur yang sangat penting pada setiap peralatan elektronik.

Silikon merupakan unsur yang mudah ditemui. Sebagai contoh, silikon merupakan penyusun utama dari pasir dan quartz. Jika kita perhatikan silikon pada tabel periodik, kita bisa lihat posisinya berada di sebelah aluminium, di bawah karbon, dan di atas germanium.

Posisi karbon, silikon, dan germanium pada tabel periodik (gambar dari http://howstuffworks.com).

Posisi karbon, silikon, dan germanium pada tabel periodik (gambar dari http://howstuffworks.com).

Karbon, silikon, dan germanium memiliki sifat yang unik pada struktur elektroniknya. Setiap unsur ini memiliki 4 elektron valensi. Sifat tersebut memungkinkan karbon, silikon, dan germanium membentuk kristal dengan keunggulan tertentu yang dapat dimanfaatkan dalam peralatan elektronik. Keempat elektron valensi membentuk ikatan kovalen yang sempurna dengan empat atom tetangga sehingga membentuk suatu kisi kristal. Pada karbon, bentuk kristalnya adalah intan, sedangkan pada silikon, bentuk kristalnya keperakan dan tampak seperti material logam.

Material logam cenderung bersifat sebagai konduktor yang baik untuk listrik karena biasanya logam memiliki elektron-elektron bebas yang bisa bergerak dengan mudah di antara atom-atom. Kelistrikan di sini tentunya melibatkan aliran elektron. Meskipun silikon tampak seperti logam, namun pada dasarnya silikon bukanlah konduktor yang baik. Seluruh elektron valensi pada kristal silikon terlibat dalam ikatan kovalen sempurna yang membuat elektron-elektron tersebut tidak bisa bergerak dengan bebas. Kristal silikon murni lebih dekat kepada sifat insulator, hanya sedikit arus listrik yang bisa melaluinya. Namun, kita bisa mengubah sifat kristal tersebut hanya dengan melalui sebuah proses yang disebut sebagai doping.

Dalam struktur kristal silikon, seluruh atom silikon berikatan secara sempurna dengan empat atom tetangganya. Tidak ada elektron bebas tersisa untuk mengalirkan arus. Hal ini mengakibatkan kristal silikon secara mendasar merupakan sebuah insulator.

Dalam struktur kristal silikon, seluruh atom silikon berikatan secara sempurna dengan empat atom tetangganya. Tidak ada elektron bebas tersisa untuk mengalirkan arus. Hal ini mengakibatkan kristal silikon secara mendasar merupakan sebuah insulator.

Dalam proses doping, pada dasarnya kita mencampurkan sejumlah kecil ketidakmurnian (impurity) ke dalam kristal silikon. Ada dua macam ketidakmurnian ini:

1) Tipe-n: Pada doping tipe-n, unsur fosfor atau arsenik ditambahkan ke dalam silikon dengan jumlah yang kecil. Fosfor dan arsenik masing-masing memiliki 5 elektron valensi sehingga ada 1 elektron yang tidak bisa memiliki tempat untuk berikatan di dalam kristal silikon. Elektron ini bebas bergerak ke sekitarnya. Kita hanya memerlukan sedikit saja ketidakmurnian untuk menghasilkan cukup banyak elektron bebas yang bisa membuat arus listrik mengalir di dalam silikon. Silikon tipe-n merupakan konduktor listrik yang baik. Karena elektron memiliki muatan negatif, dari situlah sebutan “tipe-n” berasal.

2) Tipe-p: Pada doping tipe-p, unsur boron dan galium merupakan pendoping yang biasa digunakan. Boron dan galium hanya memiliki 3 elektron valensi. Ketika unsur ini bercampur dengan kristal silikon, akan terbentuk suatu “lubang” (hole) pada kisi kristal. Lubang ini merupakan tempat yang tidak bisa terbentuk ikatan dari elektron silikon di dalamnya. Ketidakhadiran elektron pada lubang tersebut memberikan efek muatan positif. Oleh karena itu nama doping ini adalah “tipe-p”. Hole bisa mengalirkan arus. Sebuah hole akan menerima sebuah elektron dari tetangganya sehingga hole tampak bergerak sepanjang ruang. Silikon tipe-p dalam hal ini juga merupakan konduktor yang baik.

Meski hanya sejumlah kecil doping yang diberikan pada struktur kristal silikon murni, doping tipe-n ataupun tipe-p dapat mengubah kristal silikon dari sifat insulator menjadi konduktor. Oleh karena itu, kita menyebutnya sebagai semikonduktor. Sebenarnya silikon tipe-n ataupun tipe-p tidaklah istimewa-istimewa amat, namun jika kita menggabungkan keduanya, akan muncul sifat yang sangat menarik pada persambungan semikonduktor tersebut. Sifat unik ini muncul pada perangkat elektronik bernama diode.

Diode merupakan perangkat semikonduktor paling sederhana yang mungkin dibuat. Sebuah diode memungkinkan arus untuk mengalir pada satu arah, tetapi tidak pada arah sebaliknya. Barangkali kita pernah melihat pintu putar pembatas di stadion atau pusat perbelanjaan yang hanya bisa dilalui ke satu arah tertentu dan menghambat orang untuk bergerak mundur kembali ke arah sebelumnya. Nah, diode bisa dibayangkan seperti pintu tersebut.

Sekarang perhatikan diagram berikut ini.

Pada skema ini arus listrik tidak akan mengalir di persambungan diode (gambar dari http://howstuffworks.com).

Pada skema ini arus listrik tidak akan mengalir di persambungan diode (gambar dari http://howstuffworks.com).

Meskipun semikonduktor tipe-n pada prinsipnya merupakan konduktor dan tipe-p juga merupakan konduktor, namun kombinasi keduanya pada persambungan diode seperti pada gambar tidak akan memberikan arus listrik. Elektron bermuatan negatif pada semikonduktor tipe-n akan tertarik ke kutub positif baterai, sedangkan hole bermuatan positif pada semikonduktor tipe-p akan tertarik ke kutub negatif baterai. Arus tidak mengalir karena masing-masing hole dan elektron bergerak di arah yang salah.

Jika kita sekarang balikkan arah kutub baterai, arus listrik dapat mengalir dengan sempurna. Alasannya adalah elektron bebas di dalam semikonduktor tipe-n akan ditolak oleh kutub negatif baterai, demikian pula hole di dalam semikonduktor tipe-p akan ditolak oleh kutub positif baterai. Pada persambungan diode, elektron bebas dan hole tersebut kemudian dapat bertemu. Elektron akan mengisi lubang kekosongan yang dibuat hole. Peristiwa ini terjadi terus-menerus di sepanjang sambungan sehingga sebagai efeknya arus listrik dapat mengalir. Diode dapat dimanfaatkan dalam berbagai cara. Salah satu contohnya, setiap perangkat yang menggunakan baterai biasanya menyisipkan diode untuk mencegah kesalahan operasi yang terjadi akibat aliran arus pada arah yang salah. Diode secara sederhana akan memblok setiap arus yang meninggalkan baterai jika baterai tersebut dibalik arahnya. Dengan cara ini, perangkat elektronik yang sensitif terhadap arah aliran arus dapat terlindungi dan bekerja dengan optimal.

Tentunya ada pula keterbatasan diode disebabkan ketidaksempurnaan respon arus terhadap tegangan pada diode. Sebuah diode yang ideal diharapkan dapat memblok seluruh arus ketika diberikan panjar mundur (reverse-bias) dari suatu baterai. Namun, diode pada kenyataannya rata-rata masih membiarkan sekitar 10 mikroampere arus melewati dirinya pada kondisi tersebut. Bahkan, jika kita memberikan tegangan balik yang terlalu besar pada diode, bisa jadi sambungan diode tersebut rusak total dan akhirnya seluruh arus akan mengalir. Untungnya pada kebanyakan kasus, tegangan yang dibutuhkan untuk merusak diode tersebut masih jauh lebih besar daripada tegangan yang lazim dijumpai suatu sirkuit elektronik. Sementara itu, jika diode diberi panjar maju (forward-bias), pada kenyataannya kita tetap membutuhkan tegangan minimal agar arus dapat mengalir melalui persambungan diode. Untuk silikon, nilai tegangan tersebut berkisar 0,7 volt. Tegangan ini dibutuhkan untuk memulai proses kombinasi elektron dan hole pada persambungan diode.

Karakteristik arus dan tegangan pada kebanyakan diode.

Karakteristik arus dan tegangan pada kebanyakan diode.

Selain diode, perangkat elektronik lainnya yang sangat bergantung pada teknologi semikonduktor adalah transistor. Transistor dan diode memiliki beberapa kesamaan sifat. Namun transistor memiliki sifat unik lain yang dihasilkan dari 3 komponen semikonduktor yang menyusunnya. Transistor paling sederhana dapat dibentuk sebagai suatu sandwitch semikonduktor bertipe n-p-n ataupun p-n-p. Dengan struktur tersebut, transistor bisa berfungsi sebagai sakelar (switch) serta penguat (amplifier) sinyal listrik, yang disesuaikan dengan tegangan yang diberikan.

Skema dasar transistor.

Skema dasar transistor (gambar dari http://howstuffworks.com).

Dalam bentuk paling sederhananya, transistor tampak seperti dua buah diode yang disambungkan dan berimpit di tengahnya. Kita bisa menebak bahwa jika kita mengalirkan arus dari salah satu ujung transistor ke ujung lainnya tidak akan ada arus yang mengalir. Namun, jika kita berikan sedikit arus pada bagian tengah transistor, sejumlah arus yang lebih besar dapat mengalir melalui keseluruhan transistor.

Dengan sifat seperti itu, transistor menjadi komponen elektronik paling mendasar dalam berbagai rangkaian elektronik yang sangat kompleks. Chip pada perangkat-perangkat elektronik yang kita miliki saat ini tersusun dari jutaan transistor yang terintegrasi dengan sangat rapat dalam ruang yang kecil. Perkembangan fabrikasi chip ini, yang pada dasarnya bergantung pada sifat semikonduktor penyusunnya, kemudian menghasilkan beragam peralatan elektronik yang digunakan masyarakat dalam kehidupan sehari-hari.

Bahan bacaan:

Penulis:
Ahmad Ridwan T. Nugraha, peneliti fisika, alumnus ITB dan Tohoku University.
Kontak: art.nugraha(at)gmail(dot)com.