Post on 24-Oct-2015
description
Semikonduktor• Definisi I: Bahan yang memiliki nilai hambatan
jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yaknisebesar 10-6 s.d. 104 ohm.m
• Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator:
Bahan Hambatan Jenis(ohm.m)
Sifat
Tembaga 1,7 x 10-8 KonduktorSilikon pd 300oK 2,3 x 103 SemikonduktorGelas 7,0 x 106 Isolator
Tiga buah bahan yakni tembaga, silikon, dan gelasmasing-masing memiliki panjang 1 m, dan diameter 1mm, jika pada kedua ujung bahan tersebut terpasangtegangan 10V, tentukan besarnya arus yang lewatmasing-masing bahan tersebut!
Jawab:Hitung dulu R dengan rumus:
Selanjutnya dihitung I untuk masing-masing bahandengan rumus:
AR lρ=
RVI =
2rA π=2Dr =
Tembaga
Silikon
Gelas
10V
i=0,46 x 103 A
i= 3,41 x 10-9 A
i=1,12 x 10-12 A
Perhatikan! Arus yang mengalir pada bahan-bahantersebut dari yang terbesar adalah pada konduktor(tembaga), semikonduktor (silikon), dan isolator (gelas)
Semikonduktor• Definisi II: Bahan yang memiliki pita terlarang
(forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV
EGPita
Terlarang
PitaKonduksi
PitaValensi
≈6eVEG≈1eV
PitaKonduksi
PitaValensi
Elektronbebas
Hole
KONDUKTOR SEMIKONDUKTOR ISOLATOR
Bahan-bahan Semikonduktor
• TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 3 buahseperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In)
• TETRAVALENT: logam-logam yang memilikiatom-atom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
• PENTAVALENT: logam-logam yang memilikiatom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), danAntimon (Sb)
Bahan-bahan Semikonduktor
• Bahan yang paling banyak digunakan adalahSi dan Ge
• Jumlah elektron Si 14 buah• Jumlah elektron Ge 32 buah• Jumlah elektron valensi (elektron terluar) Si
maupun Ge `masing-masing 4 buah• Jenis ikatan kovalen
Jenis Semikonduktor: Intrinsik• Semikonduktor Intrinsik
Merupakan semikonduktormurni dan tidak cacat , contoh Silikon Murni
Si
Si
Si
Si
Si
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
ElektronValensi
IkatanKovalen
Visualisasi3-dimensi
Visualisasi2-dimensi
Struktur kristal Si: pengulangan secara teratur satuan sel 3 dimensiberbentuk tetrahedral
Semikonduktor intrinsik pada suhu yang sangatrendah:• Semua elektron berada pada ikatan kovalen• Tak ada elektron bebas atau tak ada pembawa muatan
sehingga bersifat sebagai isolator
Semikonduktor intrinsik pada suhu kamar:• Agitasi termal menyebabkan beberapa elektron valensi
keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebassebagai pembawa muatan negatif
• Munculnya elektron bebas diikuti dengan terbentuknyahole (lubang) sebagai pembawa muatan positif, peristiwanya disebut pembangkitan (generation)
• Jika dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagaikonduktor dengan konduktansi rendah)
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
ElektronBebas
Hole
EG≈1,2eVEG≈1,1eV
Hole
ElektronBebas
Si pada OoK Si pada 300oK
Pita Konduksi
Pita Valensi
Pita Terlarang
Sifat bahan Silikon dan Germanium (milman, 1986)
Sifat Si GeNomor atom 14 32Berat atom 28,1 72,6Kerapatan, gr/cm3 2,33 5,32Konstanta dielektrik 12 16Atom/cm3 5,0 x 1022 4,4 x 1022
Jurang tenaga (EG) pada 0oK, eV 1,21 0,785Jurang tenaga (EG) pada 300oK, eV 1,1 0,72Konsentrasi Intrinsik (300oK), ni, cm-3 1,5 x 1010 2,5 x 1013
ρ intrinsik pada 300oK, ohm.cm 230.000 45Mobilitas elektron pada 300oK (µn), cm2/V.s. 1.300 3.800Mobilitas elektron pada 300oK (µp), cm2/V.s. 500 1.800
Pembawa Muatan Pada Semikonduktor Intrinsik
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Generation
Semikonduktor Intrinsik
e1h1
e2
en
Semikonduktor Intrinsik
e1
h2
e2
h0en
Recombination
Medan ListrikTerpasang, E
Keadaan Terdahulu Keadaan Kemudian
Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik• Semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor yang
memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) olehatom asing
SemikonduktorEkstrinsik
SemikonduktorTipe-N
SemikonduktorTipe-P
• Pengotoran oleh atom pentavalent spt P, As, Sb
• Atom pengotornya disebutatom donor
• Pembawa muatan: elektron
• Pengotoran oleh atom trivalent spt B, Ga, In
• Atom pengotornya disebutatom akseptor
• Pembawa muatan: hole
Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik• Tujuan doping: meningkatkan konduktivitas
semikonduktor, dan memperoleh semikonduktor denganhanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja
• Perbandingan doping:
Atom dopant : atom murni=1:106 s.d. 108
Dopant adalah atom pengotor. Atom-atom dopant padasemikonduktor tipe-N adalah atom-atom pentavalentdan dinamakan atom donor, sedangkan padasemikonduktor time-P trivalent dan dinamakan atom akseptor.
Semikonduktor Tipe-N
+4 +4 +4
+4 +5 +4
+4 +4 +4
ElektronBebas
As
Pita Konduksi
Pita Valensi
EGTingkat energi donor
0,05eV
EV
ED
EC
Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagiankecil lainnya bersama hole karena generation akibat agitasi termal. Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole sebagaipembawa muatan minoritas.
Semikonduktor Tipe-P
+4 +4 +4
+4 +3 +4
+4 +4 +4
Hole
In
Pita Konduksi
Pita Valensi
EG Tingkat energi akseptor0,05eV
EVEA
EC
Hole sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnyabersama elektron bebas karena generation akibat agitasi termal. Hole menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron bebas sebagaipembawa muatan minoritas.
Piranti Semikonduktor• Beberapa piranti semikonduktor: diode pertemuan pn,
transistor, termistor, SCR (silicon controlled rectifier), IC (Integrated Circuit)
Diode Pertemuan PN• Suatu pertemuan pn adalah kristal tunggal
semikonduktor yang pada satu sisinya mendapatpenyuntikan atom akseptor dan pada sisi yang lain mendapat penyuntikan atom donor
• Pertemuan pn merupakan blok bangunan dasar (basic building block) bagi piranti semikonduktor
• Diode pertemuan pn: pertemuan pn yang pada keduasisinya dilekatkan logam (metalurgical bond) sehinggaterdapat dua ujung logam yang merupakan terminal atauelektrode, yakni anode pada sisi p dan katode padasisi n.
Pertemuan PN
Atom-atom Akseptor
Atom-atom Donor
Doping
Doping
Kristal Tunggal Semikonduktor
Hasilnya:
Type-P Type-N
Diode Pertemuan PN
Type-P Type-NPERTEMUAN PN
LogamLogam
Kawat Kawat
Pembungkus
Hasilnya:
Anode Katode
Simbol:
Pertemuan PN Terbuka
- +- - - -- - - - -- - - - -- - - - -
+ + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + +
----
++++
LapisanPengosongn
Jenis p Jenis n
Hole Elektron
Ion Akseptor Ion Donor
BidangPertemuan
• Atom-atom yang mengandung hole dapat digambarkansebagai ion-ion negatif karena kekurangan elektron, danatom-atom yang kelebihan elektron sebagai ion positif
• Ion-ion akseptor adalah ion-ion negatif dan ion-ion donor adalah ion-ion positif.
Pertemuan PN TerbukaLapisan Pengosongan:• Saat p dan n dipertemukan, terjadi difusi elektron ke arah p dan
difusi hole ke arah n, menimbulkan arus difusi ke kanan• Terjadi recombination (penggabungan) di sekitar bidang pertemuan
sehingga elektron dan hole lenyap• Di sekitar bidang pertemuan tak terdapat pembawa muatan, disebut
daerah pengosongan (depletion region)
Tegangan Penghalang:• Lenyapnya elektron meninggalkan ion donor (+), dan lenyapnya
hole meninggalkan ion akseptor (-)• Adanya ion positif dan negatif menyebabkan adanya medan listrik
sehingga ada tegangan, disebut tegangan kontak atau teganganpenghalang (barrier potensial), menimbulkan arus drift ke kiri
• Karena pertemuan pn ini terbuka, maka ada kesetimbangan antaraarus drift dengan arus difusi
Pertemuan pn dengan prasikap maju (forward bias):
• Adanya VD menyebabkan arus difusi lebih besar dari arus drift • Jika potensial penghalang sebelum diberi VD adalah Vo, maka potensial
penghalang turun menjadi Vo-VD, daerah pengosongan menjadi sempit• Pembawa mayoritas punya energi yang cukup untuk melewati potensial
penghalang• Hole dari sisi p (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan
menjadi pembawa minoritas di sisi n• Elektron dari sisi n (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah
pengosongan menjadi pembawa minoritas di sisi p• Jumlah arus dari elektron dan hole merupakan arus total yang lewat diode
----
++++
LapisanPengosongn
VD
Jenis P Jenis N
E
KatodeAnode
Pertemuan pn dengan prasikap mundur (reverse bias):
----
++++
LapisanPengosongn
VD
Jenis P Jenis N
E
Katode
++++
++++
----
----
Anode
• Hole pada sisi p bergerak ke kiri, elektron pada sisi n bergerak ke kanan, daerah pengosongan melebar, potensial penghalang menjadi Vo+VD, tidakada arus lewat bidang pertemuan
• Karena daerah pengosongan pada dasarnya merupakan semikonduktorintrinsik, agitasi termal dapat menyebabkan terjadinya generation sehinggamuncul pasangan elektron dan hole pada daerah ini
• Pengaruh medan listrik yang terpasang terhadap adanya elektron dan hole di daerah pengosongan menyebabkan terjadinya arus yang arahnya darikatode ke anode dan disebut arus balik saturasi yang besarnya 10-8 sampaidengan 10-14 A.