Semikonduktor (Part 2)

3. Kristal Silikon

Saat atom-atom silikon bergabung menjadi bentuk padat, atom-atom tersebut akan tersusun menjadi pola yang rapi yang disebut kristal. Setiap atom silikon membagi elektron-elektronnya dengan atom silikon lain sedemikian rupa untuk menjadi memiliki delapan elektron pada orbit paling luar seperti pada gambar. Setiap atom memiliki delapan elektron pada orbit terluar seperti gambar, atom secara kimiawi akan menjadi stabil. Lingkaran abu-abu menunjukkan inti silikon. Walaupun pusat atom sesungguhnya memiliki empat elektron valensi, atom tersebut sekarang memiliki delapan elektron valensi.

Ikatan Kovalen

Setiap atom yang berdekatan saling membagi elektron dengan atom pusat. Pada hal ini, atom pusat memiliki empat tambahan elektron, membuatnya menjadi memiliki delapan elektron valensi. Sesungguhnya, elektron-elektron tersebut tidak lagi milik satu atom saja; elektron-elektron tersebut sekarang dibagi oleh atom yang saling berdekatan. 

Pada gambar tersebut, setiap inti memiliki muatan +4. Perhatikan bagian pusat inti dan sebelah kanannya. Kedua inti ini menarik sepasang elektron di antara mereka dengan gaya yang besarnya sama dan berlawanan arah. Penarikan pada arah yang berbeda ini lah yang menahan atom-atom silikon. 

Karena setiap elektron yang dibagi pada gambar tersebut ditarik dengan gaya yang berlawanan arah, elektron terikat di antara dua inti yang berlawanan. Tipe ikatan kimia ini desebut ikatan kovalen. Pada kristal silikon, terdapat bermilyar-milyar atom silikon, masing-masing dengan delapan elektron valensi. Elektron-elektron valensi ini adalah ikatan kovalen yang mengikat kristal, yang menghasilkan kepadatan.

Tidak Lebih dari Delapan Elektron Valensi

Setiap atom pada kristal silikon memiliki delapa elektron valensi. Kedelapan elektron valensi ini menghasilkan kestabilan kimia yang dihasilkan dari bagian padat bahan silikon. 

Orbital valensi dapat menahan tidak lebih dari delapan elektron. Oleh karena itu, elektron valensi akan terisi penuh saat ada delapan elektron. Selain itu, kedelapan elektron itu diseut elektron ikatan karena elektron-elektron tersebut ditahan oleh atom dengan kuat. Karena elektron-elektron ikatan ini , kristal silikon adalah isolator yang hampir sempurna pada suhu ruangan (±25°C)

Enegi Panas dapat Membuat Hole

Suhu ambient adalah suhu di sekeliling udara. Saat suhu ambient berada di atas nol mutlak (-273K), energi panas dari sekeliling udara menyababkan atom-atom pada kristal silikon bergetar. Semakin besar suhu ambient, semakin besar pula getaran atom-atom tersebut. 

Getaran atom-atom silikon kadangkala dapat mengeluarkan elektron dari orbit valensi. Saat hal tersebut terjadi, elektron yang keluar mendapat energi yang cukup untuk pergi menuju orbit yang lebih besar seperti yang ditunjukkan gambar. Pada orbit yang lebih besar ini, elektron menjadi elektron bebas. Selain itu, tempat yang ditinggalkan elektron tersebut meninggalkan kekosongan pada orbit valensi yang disebut hole. Hole ini berkelakuan seperti muatan positif karena hole ini akan menarik dan menangkap setiap elektron pada sekitarnya.

Rekombinasi dan Lifetime

Pada kristal silikon murni, jumlah elektron bebas dan hole yang muncul dengan jumlah yang sama dihasilkan oleh energi panas. Elektron bebas berpindah secara acak di seluruh kristal. Kadang-kadang, elektron bebas akan mendekati hole karena tertarik, dan akhirnya jatuh ke dalam hole. Penggabungan dari elektron bebas dan hole ini disebut dengan rekombinasi.

Jumlah waktu antara pembentukan dan hilangnya elektron bebas disebut lifetime. Hal tersebut terjadi selama antara beberapa nano detik hingga beberapa mikro detik, tergantung seberapa sempurunanya kristal dan faktor lainnya.