Model atom semikonduktor

Semikonduktor merupakan  elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor bipolar (Bipolar Junction Transistor/BJT), transistor unipolar (Uni Junction Transistor/UJT), thyristor dan piranti terintegrasi seperti IC  (integrated circuit). Dinamakan semi atau setengah  konduktor (penghantar), karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Tidak seperti bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Gambar di bawah. memperlihatkan karakteristik dari bahan konduktor, semikonduktor dan isolator.

Gambar 1. Karakteristik Penghantar (Conductor), Semikonduktor
(Semiconductor) dan Isolator (Insulator)

Seperti Gambar 2, atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut  nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu electron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.

Gambar 2. Struktur Atom Tembaga (Cu)

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dengan jarak yang jauh dari  nucleus, sehingga ikatannya tidak terlalu kuat. Hanya dengan energi yang relatif kecil, mak a elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatan intinya.

Gambar 3. Karakteristik Atom Konduktor

Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu  nucleus  ke  nucleus  lainnya, tanpa beda potensial elektron-elektron pada bahan konduktor akan bergerak tidak teratur (elektron bebas) seperti Gambar 3. Jika diberi beda potensial listrik, maka gerakan elektron-elektron tersebut menjadi teratur dan dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama seperti Gambar 4. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik. Berbeda dengan bahan isolator, bahwa struktur atom mempenyai elektron valensi sebanyak 8 buah, dan melepaskan elektron-elektron dari ikatan intinya dibutuhkan energi yang besar.

Gambar 4. Lintas Aliran Elektron

Elektron yang diambil dari terminal positif berjalan didalam sumber tegangan menuju terminal negatif. Lintas aliran elektron tertutup.
 
Struktur Atom

Arus listrik sesungguhnya gerakan sesaat dari partikel-partikel(bagian-bagian yang terkecil) yang bermuatan positif. Partikel-partikel ini ada yang bermuatan positif dan adapula yang bermuatan negatif. Kumpulan partikel bermuatan positif dan pertikel bermuatan negatif membentuk atom, yang merupakan dasar terbentuknya semua zat.

Gambar 5. Struktur Atom Germanium (Ge)

Setiap atom terdiri dari inti atom positif dan sejumlah elektron negatif yang mengelilingi inti. Gambar 5 mempelihatkan contoh struktur atom germanium (Ge) dengan elektron bervalensi 4. Elektron paling luar yang bervalensi 4 berfungsi sebagai pengikat terhadap atom tetangga terdekat. Pada umumnya perilaku khas sebuah bahan padat adalah bahwa atom berada dalam posisi tetap dengan elektron yang bermuatan negatif dan terikat terhadap intinya.

Ikatan Kristal Semikonduktor

Elektron valensi antara bahan semikonduktor dan bahan isolator, tidak sama dengan elektron valensi yang terdapat dalam logam, yaitu biasanya tidak dapat bergerak dengan bebas. Elektron valensi ini biasanya merupakan  elektron terikat (bound electron). Terdapat satu jenis kristal/hablur yang sangat penting yaitu kristal valensi. Susunan ikatan antara dua atom yang berdampingan membentuk sepasang elektron valensi ikatan ganda atau  covalent electron. Dalam keadaan ikatan ganda antara sebuah atom dengan sejumlah atom tetangga terdekatnya sama dengan banyaknya elektron valensi semula yang semula dimiliki oleh atom bersangkutan.

Gambar 6. memperlihatkan model struktur atom bahan setengah penhantar germanium dengan 4 buah elektron valensi.

Gambar 6. Model Struktur Atom Germanum (Ge)

Elektron Valensi Akibat Renggutan

Pada paragraph diatas telah dijelaskan, bahwa tidak ada perbedaan antara elektron vanlensi semikonduktor dan isolator secara normal tidak  mungkin dapat menyebabkan aliran arus karena keduanya merupakan elektron berikat. Untuk membuat agar supaya elektron-elektron berikat tersebut terlepas dariikatan inti atom, dapat dilakukan dengan cara pemberian panas dari luar.

Gambar 7. Renggutan Elektron Valensi Dari Inti

Gambar 7 memperlihatkan proses renggutan/terlepasnya elektron berikat menjadi elektron bebas sebagai akibat saling tabrakan dengan partikel lain yang sarat menerima energi lebih (dalam hal ini bisa berupa kuantum cahaya terkecil. Cara yang paling mudah untuk melepaskan elektron valensi berikat dalam suatu material semikonduktor menjadi konduktor (valensi bebas), yaitu dapat dengan jalan memanaskan struktur kristal/hablur tersebut. Proses perlakuan ini, atom akan menjadi osilasi yang terus kian meningkat, kemudian lama kelamaan akan meregang dari ikatan inti atom. Sehingga pada suhu tertentu menyebabkan suatu ikatan antara inti atom dengan elektron valensi menjadi terenggut.

Perlu diketahui, bahwa tenaga yang dibutuhkan untuk merenggut/melepas ikatan-ikatan tersebut tidak berasal dari partikel luar, melainkan dating dari kristal itu sendiri. Makin tinggi suhu yang dapat diterima oleh semikonduktor, makin banyak elektron-elektron berikat yang dapat terenggut lepas dari ikatan-ikatan intinya. Pada tahap keadaan ini menunjukan, bahwa semikonduktor dapat berubah menjadi bahan yang dapat mengalirkan arus (bahan konduktor).