B. Mekanisme Alur Arus dalam Semikonduktor

Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi.
Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik.

Arus Drift

Bayangkan sebuah medan listrik diberikan pada suatu semikonduktor. Medan listrik ini akan menghasilkan gaya yang bekerja baik pada elektron bebas ataupun hole, yang lalu akan mengalami pergerakan dan kecepatan drift. Perhatikan sebuah semikonduktor tipe-n dengan sejumlah besar elektron bebas seperti terlihat pada Gambar 1. Medan listrik E lalu diberikan pada semikonduktor ini pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada elektron ÔÇô yang karena bermuatan negatif ÔÇô dalam arah yang berlawanan. Elektron tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdn (dalam cm/s) yang besarnya
Dimana Ôò¼ÔòØn adalah konstanta mobilitas elektron dan diukur dalam cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai Ôò¼ÔòØn ini biasanya berkisar sekitar 1350 cm^2/V-s. Mobilitas ini dapat dipandang sebagai sebuah parameter yang mengindikasikan seberapa baik sebuah elektron dapat bergerak didalam semikonduktor. Tanda negatif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift elektron berlawanan arah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri lalu akan menghasilkan kerapatan arus drift Jn (dalam A/cm^2), yang besarnya adalah
Dimana n adalah konsentrasi elektron, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional memiliki arah yang berlawanan dengan aliran muatan negatif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan.

Selanjutnya, perhatikan sebuah semikonduktor tipe-p dengan sejumlah besar hole seperti terlihat pada Gambar 2. Medan listrik E lalu diberikan pada suatu arah tertentu sehingga menghasilkan gaya pada hole-hole tersebut ├ö├ç├┤ yang karena bermuatan positif ├ö├ç├┤ dalam arah yang sama. Hole tersebut akan memperoleh kecepatan drift vdp (dalam cm/s), yang besarnya adalah Dimana Ôò¼ÔòØp adalah konstanta mobilitas proton dan -sekali lagi- diukur dalam satuan cm^2/V-s. Untuk silikon yang terdadah-rendah (low-doped) nilai Ôò¼ÔòØp ini biasanya berkisar sekitar 480 cm^2/V-s, atau tidak sampai setengahnya dari nilai mobilitas elektron up. Tanda positif pada persamaan menandakan bahwa kecepatan drift hole searah dengan medan listrik yang diberikan. Kecepatan drift ini sendiri akan menghasilkan kerapatan arus drift Jp (kembali, dalam A/cm^2), yang besarnya adalah Dimana p adalah konsentrasi hole, dan e adalah besar (magnitude) muatan listriknya. Arus drift konvensional akan searah dengan aliran muatan positif, yang berarti arus drift pada sebuah semikonduktor tipe-n akan memiliki arah yang sama dengan medan listrik yang diberikan. Karena sebuah material semikonduktor selalu mengandung baik elektron maupun hole, kerapatan arus drift total ditentukan sebagai jumlah dari kedua komponen arus tersebut, sehingga dan Dimana ┬ñ├ó ini sering disebut sebagai konduktifitas dari semikonduktor dan ┬ñ├╝=1/┬ñ├ó sebagai resistifitas dari semikonduktor. Konduktifitas ini berhubungan erat dengan konsentrasi elektron dan hole. Apabila medan listrik yang timbul dihasilkan akibat sebuah perbedaan potensial (tegangan), maka persamaan diatas akan menghasilkan hubungan yang linier antara arus dan tegangan, sehingga akan sesuai dengan hukum Ohm.

Dari persamaan kita juga dapat melihat bahwa konduktifitas dapat diubah dari semikonduktor tipe-n yang kuat dimana n>>p dengan mendadah (doping) pengotor pemberi (donor), menjadi semikonduktor tipe-p yang kuat dimana p>>n dengan mendadah (doping) pengotor penerima (acceptor). Kemampuan mengendalikan konduktifitas dari sebuah semikonduktor dengan cara memilih pendadahan yang sesuai telah memberi kita kesempatan untuk menghasilkan berbagai jenis komponen elektronika yang tersedia saat ini.

Arus Difusi

Pada difusi, partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi yang tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang rendah. Ini adalah fenomena statistikal dan berhubungan dengan teori kinetik. Untuk menjelaskannya, baik elektron maupun hole pada semikonduktor selalu berada pada pergerakan yang kontinyu. dengan kecepatan rata-rata yang ditentukan oleh suhu, dan dalam arah yang acak oleh pengaruh struktur kristal. Secara statistik, kita dapat mengasumsikan bahwa untuk setiap instan manapun, sekitar setengah dari partikel pada daerah dengan konsentrasi tinggi akan bergerak keluar dari daerah tersebut menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Kita juga dapat mengasumsikan bahwa pada saat yang bersamaan, sekitar setengah dari partikel dari daerah dengan konsentrasi rendah bergerak menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi. Bagaimanapun juga, oleh definisi, terdapat lebih sedikit partikel pada daerah dengan konsentrasi  rendah daripada yang terdapat pada daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi, Karenanya, aliran partikel akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah. Ini adalah proses difusi yang paling dasar.

Sebagai contoh, perhatikan konsentrasi elektron yang bervariasi sebagai sebuah fungsi jarak x, seperti yang terlihat pada Gambar 3. Difusi elektron dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah menghasilkan aliran elektron dalam arah x negatif. Karena elektron bermuatan negatif, maka arah arus konvensionalnya akan menjadi x positif.
Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi elektron dapat dinyatakan dalam persamaan berikut
Dimana e adalah besar (magnitude) muatan elektron, dn/dx sebagai gradien konsentrasi elektron, dan Dn adalah koefisien difusi elektron. Untuk hole, prinsip yang sama dapat digunakan. Pada Gambar 4, konsentrasi hole adalah sebuah fungsi jarak. Difusi hole dari daerah dengan koefisien tinggi ke daerah dengan koefisien yang lebih rendah akan menghasilkan aliran hole dalam arah x negatif. Kerapatan arus difusi dipandang sebagai difusi hole dapat dinyatakan dalam persamaan berikut
Dimana e adalah besar (magnitude) dari muatan, dp/dx sebagai gradien konsentrasi hole, dan Dp adalah koefisien difusi hole. Perlu dicatat bahwa terjadi perubahan tanda pada kedua persamaan arus difusi ini. Hal ini dikarenakan perbedaan dalam penandaan muatan listrik antara muatan negatif elektron dengan muatan positif hole.
Nilai mobilitas dalam persamaan arus drift dan nilai koefisien difusi pada persamaan arus difusi bukanlah dua kuantitas yang saling bebas. Keduanya terikat pada hubungan Einstein, yakni (pada suhu kamar)
Kerapatan arus total adalah hasil penjumlahan komponen drift dan difusi. Untungnya, pada banyak kasus hanya ada satu komponen yang dominan untuk setiap waktu pada daerah semikonduktor yang diberikan.