Band Gap: Mengapa Ada Material yang Menghantarkan Listrik, Menghambat, dan Bisa Diatur?

Tembaga bisa menghantarkan listrik.

Karet digunakan untuk melindungi kabel agar kita tidak tersengat.

Silikon justru berada di tengah-tengah. Dalam kondisi tertentu ia sulit menghantarkan listrik, tetapi sifat listriknya bisa diatur.

Pertanyaannya sederhana.

Mengapa material yang sama-sama tersusun dari proton, neutron, dan elektron bisa memiliki sifat listrik yang sangat berbeda?

Mengapa elektron mudah bergerak di dalam tembaga?

Mengapa elektron sulit bergerak di dalam kaca?

Dan mengapa silikon bisa “dibujuk” agar menghantarkan listrik?

Jawabannya ada pada sebuah konsep penting dalam fisika material.

Namanya band gap.

Tenang.

Walaupun istilahnya terdengar seperti materi kuliah fisika tingkat lanjut, konsep dasarnya sebenarnya bisa dipahami tanpa rumus yang rumit.

Kita mulai dari elektron.

Elektron Tidak Bisa Memiliki Energi Sembarangan

Dalam kehidupan sehari-hari, kita bisa berdiri di ketinggian berapa saja.

Satu meter.

1,5 meter.

1,73 meter.

Secara teori, pilihan ketinggiannya hampir terus-menerus.

Tetapi dunia atom berbeda.

Elektron hanya dapat berada pada keadaan energi tertentu.

Konsep ini berasal dari mekanika kuantum.

Kita menyebut energi elektron bersifat terkuantisasi.

Bayangkan sebuah gedung.

Kita bisa berdiri di lantai satu.

Lantai dua.

Lantai tiga.

Tetapi kita tidak bisa berdiri santai di udara antara lantai dua dan lantai tiga.

Elektron memiliki aturan serupa.

Ada keadaan energi yang diizinkan.

Ada pula daerah energi yang tidak memiliki keadaan yang dapat ditempati elektron.

Satu Atom Memiliki Tingkat Energi

Jika kita hanya memiliki satu atom, elektron berada pada keadaan energi tertentu.

Misalnya atom silikon.

Elektronnya tidak bergerak dengan energi sembarangan.

Mekanika kuantum menentukan keadaan energi yang memungkinkan.

Sekarang bayangkan dua atom silikon didekatkan.

Keadaan elektronnya mulai saling memengaruhi.

Tambahkan atom ketiga.

Kemudian atom keempat.

Sekarang bayangkan bukan empat atom.

Tetapi jumlah atom yang luar biasa besar membentuk sebuah kristal silikon.

Interaksi antaratom menyebabkan tingkat energi elektron berkembang menjadi kumpulan keadaan energi yang sangat rapat.

Kumpulan tersebut membentuk pita energi atau energy band.

Dari Tingkat Energi Menjadi Pita Energi

Bayangkan sebuah gedung yang awalnya hanya memiliki beberapa kursi.

Setiap kursi mewakili keadaan energi.

Sekarang jumlah kursinya bertambah menjadi jutaan.

Jarak antar kursi menjadi sangat rapat.

Dari jauh, kursi-kursi tersebut terlihat seperti satu area penuh.

Kurang lebih seperti itulah gambaran sederhana terbentuknya pita energi.

Dalam material padat, kita mengenal dua pita yang sangat penting.

Valence band.

Dan:

Conduction band.

Di antara keduanya terdapat wilayah yang disebut band gap.

Di sinilah nasib listrik sebuah material mulai ditentukan.

Apa Itu Valence Band?

Valence band atau pita valensi merupakan kumpulan keadaan energi yang berkaitan dengan elektron yang masih terlibat kuat dalam struktur dan ikatan material.

Elektron di daerah ini tidak bebas bergerak seperti pembawa muatan dalam kondisi konduksi.

Bayangkan sebuah ruangan penuh kursi.

Semua orang duduk dan memiliki posisi tertentu.

Sulit membuat kerumunan bergerak bebas karena setiap orang masih berada pada tempatnya.

Elektron dalam valence band kurang lebih berada dalam kondisi yang lebih terikat pada struktur material.

Agar dapat berkontribusi lebih efektif terhadap konduksi listrik, elektron perlu mencapai keadaan energi yang memungkinkan pergerakan lebih bebas.

Di sinilah conduction band berperan.

Apa Itu Conduction Band?

Conduction band atau pita konduksi adalah kumpulan keadaan energi tempat elektron dapat bergerak lebih bebas melalui material.

Ketika elektron berada pada kondisi ini, medan listrik dapat mendorong geraknya.

Muncullah arus listrik.

Bayangkan orang yang sebelumnya duduk di kursi sekarang masuk ke sebuah lapangan terbuka.

Mereka lebih mudah bergerak.

Jika ada instruksi bergerak ke kanan, banyak orang dapat bergerak ke arah tersebut.

Dalam material, medan listrik memberikan pengaruh terhadap pembawa muatan.

Elektron dalam kondisi konduksi dapat menghasilkan gerakan muatan yang terarah.

Itulah salah satu dasar arus listrik.

Lalu Apa Itu Band Gap?

Band gap adalah rentang energi di antara valence band dan conduction band yang tidak memiliki keadaan elektron yang diizinkan dalam model pita energi.

Bayangkan dua gedung.

Gedung pertama adalah valence band.

Gedung kedua adalah conduction band.

Di antara keduanya terdapat jurang.

Elektron harus mendapatkan energi yang cukup untuk melewati perbedaan energi tersebut.

Besarnya “jurang energi” inilah yang disebut band gap.

Biasanya band gap dinyatakan dalam satuan electron volt atau eV.

Semakin besar band gap, semakin sulit elektron mencapai conduction band.

Semakin kecil band gap, semakin mudah elektron memasuki kondisi yang memungkinkan konduksi.

Konsep sederhana ini membantu menjelaskan perbedaan antara konduktor, isolator, dan semikonduktor.

Logam: Elektron Punya Jalan yang Mudah

Mari kita lihat tembaga.

Tembaga merupakan konduktor listrik yang baik.

Dalam material logam, struktur pita energinya memungkinkan elektron bergerak relatif mudah.

Pada beberapa gambaran sederhana, pita energi dapat saling tumpang tindih atau terdapat keadaan energi yang tersedia sangat dekat dengan elektron.

Artinya elektron tidak perlu melompati band gap besar untuk ikut dalam konduksi.

Ketika medan listrik diberikan, banyak elektron dapat merespons.

Muatan bergerak.

Arus mengalir.

Itulah alasan tembaga sangat baik digunakan untuk kabel listrik.

Elektron memiliki “jalan” yang relatif mudah.

Isolator: Jurangnya Terlalu Lebar

Sekarang lihat material isolator.

Misalnya kaca atau material isolasi tertentu.

Pada isolator, band gap cukup besar.

Elektron di valence band membutuhkan energi besar untuk mencapai conduction band.

Dalam kondisi normal, energi yang tersedia tidak cukup.

Akibatnya hanya sangat sedikit pembawa muatan yang dapat bergerak bebas.

Arus listrik sulit mengalir.

Bayangkan seseorang ingin menyeberangi jurang selebar 100 meter.

Tanpa jembatan atau alat khusus, hampir mustahil.

Begitulah gambaran sederhana elektron pada isolator.

Karena itu material isolator digunakan untuk membatasi aliran listrik.

Semikonduktor: Jurangnya Bisa Dikelola

Sekarang kita sampai pada silikon.

Silikon adalah semikonduktor.

Band gap silikon tidak sebesar banyak isolator.

Tetapi juga tidak memiliki karakter konduksi seperti logam.

Silikon berada pada posisi yang sangat menarik.

Elektron dapat memperoleh energi yang cukup untuk mencapai conduction band dalam kondisi tertentu.

Energi dapat berasal dari panas.

Cahaya.

Atau pengaruh sistem elektronik yang dirancang manusia.

Inilah alasan silikon sangat penting.

Jumlah pembawa muatan di dalamnya dapat dikendalikan.

Dan teknologi digital membutuhkan material yang bisa dikendalikan.

Ketika Elektron Melompati Band Gap

Bayangkan sebuah elektron berada di valence band.

Kemudian elektron mendapatkan energi yang cukup.

Elektron berpindah ke conduction band.

Sekarang elektron tersebut dapat berkontribusi terhadap konduksi listrik.

Tetapi ada sesuatu yang tertinggal.

Sebuah keadaan kosong di valence band.

Kita menyebutnya hole atau lubang.

Elektron lain dapat berpindah mengisi hole tersebut.

Akibatnya hole seolah-olah berpindah posisi.

Sekarang material memiliki dua jenis pembawa muatan penting.

Elektron di conduction band.

Dan hole di valence band.

Dalam fisika semikonduktor, keduanya sangat penting.

Suhu Bisa Mengubah Konduktivitas Semikonduktor

Ketika suhu meningkat, atom dalam material memiliki energi termal yang lebih besar.

Sebagian elektron dapat memperoleh energi untuk melewati band gap.

Jumlah pembawa muatan meningkat.

Akibatnya konduktivitas semikonduktor dapat meningkat.

Ini berbeda dengan banyak logam.

Pada logam, kenaikan suhu meningkatkan getaran struktur kristal.

Elektron yang bergerak mengalami lebih banyak hamburan.

Hambatan listrik biasanya meningkat.

Karena itu perilaku suhu pada logam dan semikonduktor bisa sangat berbeda.

Sekali lagi, penyebabnya berkaitan dengan struktur pita energi.

Cahaya Juga Bisa Mengangkat Elektron

Foton membawa energi.

Ketika cahaya mengenai material semikonduktor, foton dapat memberikan energi kepada elektron.

Jika energi foton cukup dibandingkan dengan band gap material, elektron dapat berpindah menuju conduction band.

Terbentuk pasangan elektron dan hole.

Prinsip ini sangat penting dalam teknologi.

Sensor cahaya.

Fotodioda.

Kamera digital.

Panel surya.

Semua memiliki hubungan dengan interaksi cahaya dan struktur energi material.

Ketika kita mengambil foto menggunakan smartphone, pada tingkat fisika sebenarnya foton sedang berinteraksi dengan elektron di dalam material sensor.

Band Gap Juga Menentukan Warna Cahaya

Hubungan band gap dan energi cahaya juga dimanfaatkan pada LED.

Ketika elektron berpindah dari keadaan energi tinggi menuju keadaan lebih rendah, energi dapat dilepaskan dalam bentuk foton.

Energi foton berkaitan dengan frekuensi dan warna cahaya.

Material semikonduktor dengan karakter band gap berbeda dapat menghasilkan cahaya dengan energi berbeda.

Karena itu material semikonduktor menjadi sangat penting dalam teknologi LED.

Merah.

Hijau.

Biru.

Perbedaan warna bukan sekadar cat pada lampu.

Di tingkat material, kita sedang mengatur transisi energi elektron.

Tetapi Silikon Murni Masih Belum Cukup

Walaupun memiliki band gap yang menarik, silikon murni belum ideal untuk semua kebutuhan elektronik.

Manusia kemudian menggunakan teknik doping.

Kita memasukkan sejumlah kecil atom lain ke dalam kristal silikon.

Misalnya fosfor.

Fosfor memiliki satu elektron valensi lebih banyak dibandingkan silikon.

Dalam struktur silikon, elektron tambahan tersebut relatif mudah menjadi pembawa muatan.

Terbentuk material tipe-N.

Sekarang gunakan boron.

Boron memiliki satu elektron valensi lebih sedikit dibandingkan silikon.

Kondisi ini membantu menciptakan hole.

Terbentuk material tipe-P.

Doping menciptakan tingkat energi tambahan yang memengaruhi kemudahan pembentukan pembawa muatan.

Artinya manusia tidak hanya menerima sifat material begitu saja.

Kita memodifikasi struktur elektronik material.

Dari Band Gap Menuju Transistor

Sekarang kita punya silikon dengan sifat listrik yang dapat dikendalikan.

Kita membentuk daerah tertentu.

Tipe-N.

Tipe-P.

Kemudian kita membangun transistor.

Dalam MOSFET, tegangan pada Gate menghasilkan medan listrik.

Medan tersebut memengaruhi distribusi pembawa muatan di daerah kanal.

Pada kondisi tertentu, terbentuk jalur yang memungkinkan arus mengalir.

Transistor ON.

Ketika kondisi Gate berubah, jalur tersebut hilang atau melemah.

Transistor OFF.

Dua kondisi tersebut digunakan dalam sistem digital.

Jadi perjalanan dari band gap menuju komputer dapat digambarkan seperti ini:

Band gap → pembawa muatan → semikonduktor → transistor → 0 dan 1 → gerbang logika → prosesor.

Mengapa Tidak Semua Chip Menggunakan Material yang Sama?

Silikon sangat populer.

Tetapi tidak semua kebutuhan elektronik sama.

Untuk elektronik daya, kita mungkin membutuhkan material yang mampu menghadapi tegangan tinggi dan suhu tinggi.

Di sinilah material seperti silicon carbide atau SiC menarik.

Ada juga gallium nitride atau GaN.

GaN banyak dikembangkan untuk elektronik daya dan perangkat frekuensi tinggi.

Material tersebut memiliki karakter band gap yang berbeda dari silikon.

SiC dan GaN sering disebut wide-bandgap semiconductor.

Band gap yang lebih lebar memberikan sifat tertentu yang berguna untuk aplikasi daya.

Misalnya kemampuan bekerja pada medan listrik lebih tinggi.

Karena itu kita mulai melihat GaN pada teknologi pengisi daya modern.

Ukuran charger bisa menjadi lebih kecil dengan efisiensi tinggi karena teknologi switching dapat dirancang lebih baik.

Band Gap Adalah Sidik Jari Elektronik Material

Setiap material memiliki struktur pita energi yang khas.

Struktur tersebut dipengaruhi oleh jenis atom.

Susunan kristal.

Ikatan antaratom.

Dan interaksi elektron.

Karena itu band gap dapat dianggap sebagai salah satu “sidik jari elektronik” sebuah material.

Dengan memahami band gap, ilmuwan dapat memperkirakan bagaimana material merespons listrik dan cahaya.

Apakah material mudah menghantarkan listrik?

Apakah dapat menyerap cahaya tertentu?

Apakah dapat memancarkan cahaya?

Apakah cocok untuk transistor?

Apakah cocok untuk sensor?

Apakah cocok untuk panel surya?

Satu konsep fisika membuka jalan menuju banyak teknologi.

Material Tidak “Memilih” Menjadi Konduktor

Tembaga tidak memutuskan menjadi konduktor.

Kaca tidak memilih menjadi isolator.

Silikon tidak bercita-cita menjadi semikonduktor.

Sifat tersebut muncul dari struktur atom dan keadaan energi elektron di dalam material.

Jenis atom menentukan konfigurasi elektron.

Atom membentuk ikatan.

Ikatan membentuk struktur material.

Struktur material membentuk pita energi.

Pita energi menentukan bagaimana elektron dapat bergerak.

Dan pergerakan elektron menentukan sifat listrik material.

Urutannya bisa kita gambarkan seperti ini:

Atom → elektron → ikatan → struktur material → pita energi → band gap → sifat listrik.

Dari Jurang Energi Menuju Dunia Digital

Band gap mungkin terdengar seperti konsep fisika yang sangat abstrak.

Kita tidak dapat melihatnya dengan mata.

Tidak dapat memegangnya.

Tidak dapat menimbangnya seperti sebuah benda.

Tetapi pengaruhnya ada di mana-mana.

Di dalam prosesor.

Sensor kamera.

Panel surya.

Lampu LED.

Charger GaN.

Transistor.

Memori.

Perangkat komunikasi.

Ketika manusia memahami bahwa elektron hanya dapat berada pada keadaan energi tertentu, kita mulai memahami cara material bekerja.

Ketika memahami pita energi, kita dapat membedakan konduktor, isolator, dan semikonduktor.

Dan ketika belajar mengendalikan pembawa muatan dalam semikonduktor, kita berhasil membuat transistor.

Dari transistor lahirlah 0 dan 1.

Dari 0 dan 1 lahirlah komputer.

Jadi dunia digital modern ternyata berdiri di atas sebuah konsep fisika yang tidak terlihat.

Sebuah “jurang energi” kecil di dalam material yang kita sebut band gap

Baca juga mengenal Regarcomm Development Untuk tambah informasi baca Regarcommpromo Untuk tambah informasi dan tips baca diblog  Regarcomm Development