Pengertian atom dan molekul

Pandai Elektronika -- Komponen elektronika benda padat seperti dioda, LED, Transistor, IC (Integreted Circuit) dan lain-lain didasarkan pada sifat atau bahan semikonduktor. Bahan semikondukor itu sendiri sifat kelistrikannya diantara konduktor dan isolator, dimana sifat-sifat kelistrikan induktor dan isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperature, cahaya, dan bahan magnit akan tetapi sifat-sifat konduktor dan isolator tersebut sangat sensitive.

Atom adalah elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki bahan-bahan kimia dan fisika yang sama. Atom terdiri atas 3 partikel yaitu neutron ( inti atom netral ), proton (inti atom positif), dan elektron (inti atom negatif ). Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah silocon dan germanium.

Gambar struktur Atom a). Silicon dan b). Germanium

Pada gambar (a) diatas atom silicon mempunyai elektron yang mengorbit ( mengelilingi inti ) sebanyak 14 elektron sedangkan untuk germanium ( gambar (b)) mempunyai 32 elektron. Pada atom yang seimbang ( netral ) jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton dalam inti. Elektron yang menempati lapisan terluar disebut elektron valensi. Atom silicon dan atom germanium disebut dengan atom tetra valent karena mempunyai 4 elektron valensi. Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-atom yang bersebelahan.

Struktur Kristal Silicon dengan Ikatan Kivalen

Gambar diatas adalah strukur kristal silicon murni meskipun terlihat terikat dengan kuat dakam struktur kristal, namun bisa saja elektron valensi keluat dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi saat diberikan energi panas. Nah saat energi panas tersebut mampu memisahkan elektron dari ikatan kovalen maka elektron tersebut akan disebut dengan elektron bebas. Biasanya pada suhu kurang lebih 1,5 x 10 pangkat 10 elektron bebas dalam 1 cm kubik bahan silicon murni dan 2,5 x 10 pangkat 13 elektron bebas pada germanium.

Semikonduktor Tipe-N

Semikonduktor ekstrinsik diperoleh saat bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi bahan bervalensi lain, sedangkan semikonduktor Tipe-N diperoleh saat bahan silicon didoping dengan bahan ketidak murnian seperti antimoni, arsenik, dan pospor.

Struktur kristal Silicon Smikonduktor Tipe-N

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 depan 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.

Meskipun bahan silikon type -N ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positif 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 dilihat pada gambar dibawah. 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.

Diagram pita energi semikonduktor Tipe-N

Bahan semikonduktor Tipe-N dapat dilukiskan seperti gambar dibawah. Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya maka menjadi ion yang positif, sehingga digambarkan dengan tanda positif. Sedangkan elektronnya menjadi pembawa mayoritas dan pembawa minoritas berupa hole.

Bahan Semikonduktor Tipe-N

Semikonduktor Tipe-P

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidak-murnianipe ) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor Tipe-P. Bahan dopan bervalensi tiga adalah boron, galium, dan indium. Dibawah ini struktur kristal semikonduktor Tipe-P :

Struktur Kristal Semikonduktor Silicon Tipe-P

Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam gambar 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.

Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe-P

Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada gambar diatas. Jarak antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silicon. Sehingga untuk menempatkan hole dilevel energi akseptor hanya membutuhkan energi yang sangat kecil.

Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron maka menjadi ion yang bermuatan negatif, sehingga digambarka dengan tanda negatif. Pembawa mayoritas berupa hole dan pembawa minoritas berupa elektron. Bahan semikonduktor dapat dilukiskan pada gambar dibawah :