5 - Semikonduktor.pdf

23
Semikonduktor Definisi I : Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni sebesar 10 -6 s.d. 10 4 ohm.m • Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator: Bahan Hambatan Jenis (ohm.m) Sifat Tembaga 1,7 x 10 -8 Konduktor Silikon pd 300 o K 2,3 x 10 3 Semikonduktor Gelas 7,0 x 10 6 Isolator

Transcript of 5 - Semikonduktor.pdf

Page 1: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 2: 5 - Semikonduktor.pdf

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 =

Page 3: 5 - Semikonduktor.pdf

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)

Page 4: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 5: 5 - Semikonduktor.pdf

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)

Page 6: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 7: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 8: 5 - Semikonduktor.pdf

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)

Page 9: 5 - Semikonduktor.pdf

+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

Page 10: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 11: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 12: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 13: 5 - Semikonduktor.pdf

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.

Page 14: 5 - Semikonduktor.pdf

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.

Page 15: 5 - Semikonduktor.pdf

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.

Page 16: 5 - Semikonduktor.pdf

Piranti Semikonduktor• Beberapa piranti semikonduktor: diode pertemuan pn,

transistor, termistor, SCR (silicon controlled rectifier), IC (Integrated Circuit)

Page 17: 5 - Semikonduktor.pdf

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.

Page 18: 5 - Semikonduktor.pdf

Pertemuan PN

Atom-atom Akseptor

Atom-atom Donor

Doping

Doping

Kristal Tunggal Semikonduktor

Hasilnya:

Type-P Type-N

Page 19: 5 - Semikonduktor.pdf

Diode Pertemuan PN

Type-P Type-NPERTEMUAN PN

LogamLogam

Kawat Kawat

Pembungkus

Hasilnya:

Anode Katode

Simbol:

Page 20: 5 - Semikonduktor.pdf

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.

Page 21: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 22: 5 - Semikonduktor.pdf

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

Page 23: 5 - Semikonduktor.pdf

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.