What Is a Semiconductor?

Transkripsi

1 1 SEMIKONDUKTOR

2 Pengantar 2

3 What Is a Semiconductor? Istilah Konduktor Insulator Semikonduktor Definisi Semua bahan, sebagian besar logam, yang memungkinkan arus listrik mengalir melalui bahan tersebut Semua bahan yang tidak bisa mengalirkan arus listrik Murni silikon atau campurannya, bahan dasar bagi sebagian besar transistor. Konduktivitas bahan dapat diubah dengan mencampur bahan silikon dengan bahan lain 3

4 Semiconductors Bahan yang memiliki sifat tidak murni konduktor dan tidak murni insolator Ia umumnya bersifat insulator pada suhu dekat 0 0 C dan bersifat konduktor pada suhu kamar Bahan umum semikonduktor Dasar Intrinsik Si - Silicon (most common) Ge - Germanium Compound/gabungan ekstrinsik GaAs - Gallium arsenide GaP - Gallium phosphide AlAs - Aluminum arsenide AlP - Aluminum phosphide InP - Indium Phosphide 4

5 Kristal Padat Pada kristal padat, keteraturan atom terus berulang untuk semua struktur di dalam kristal Kristal silikon memiliki struktur latice seperti intan Unit sel 5

6 Mengapa Silikon unik? Murah dan melimpah Sifat unik: mekanik, kimia dan elektronik Bahan umum dikenal oleh manusia SiO 2 : pasir, gelas Si berada pada Gol IV Mirip karbon (C) dan germanium (Ge) 6 Mempunyai valensi 3s² dan 3p²

7 Hakikat Silikon Intrinsik Berbahan murni (bebas dopping) yaitu Si atau Ge Memiliki elektron valensi 4 dan membentuk ikatan kovalen dengan 4 atom tetangganya 7

8 Konduksi di Dalam Latice Semikonduktor Semikonduktor (Si dan Ge) memiliki 4 elektron terluar 2 di subkulit S 2 di subkulit P Jika jarak diantara atom menjadi pendek subkulit menyebar menjadi pita energi Pada saat jarak terus menerus menjadi pendek, pita saling tumpang-tindih dan kemudian berpisah Model kulit elektron tidak berlaku kembali, elektron dapat dianggap menjadi bagian dari kristal bukan bagian dari atom 4 elektron yang mungkin berada pada pita energi paling rendah (Pita Valensi) 4 elektron yang mungkin berada pada pita energi tertinggi (Pita Konduksi) 8

9 Pita Energi dalam Semikonduktor Ruang diantara pita disebut Gap Energi atau Pita Terlarang 9

10 Insulators, Konduktor dan Semikonduktor Insulators memiliki gap energi tinggi Elektron tidak bisa loncat dari pita valensi ke pita konduksi Tidak ada arus yang mengalir Conductors (logam) memiliki gap energi kecil (atau bahkan tidak ada sama sekali) Elektron mudah loncat dari pita valensi ke pita konduksi Arus mudah mengalir Semiconductors memiliki gap energi pertengahan (diantara insulator dan konduktor) Hanya beberapa elektron dapat loncat ke pita konduksi dengan meninggalkan hole Hanya sedikit arus yang dapat mengalir 10

11 Insulators, Konduktor dan Semikonduktor Pita Konduksi Pita Valensi Konduktor Semikonduktor Insulator 11

12 Muatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor Electron dan hole We knew about electron (e), but what is a hole (h)? Ketika elektron menerima cukup energi untuk loncat dari pita valensi ke pita konduksi, ia meninggalkan ruang/level kosong. Kondisi ini menciptakan Pasangan Elektron-Hole atau Electron-Hole Pair (EHP) Arus hole disebabkan oleh sebuah elektron yang bergerak berlawanan arah pada pita valensi Arus elektron adalah elektron yang bergerak dari tingkat ke tingkat pada pita konduksi 12

13 Pasangan Elektron-Hole Terkadang energi panas (termal) mampu menyebabkan elektron loncat dari pita valensi ke pita konduksi Menghasilkan electronhole pair (EHP) Pita Konduksi pair elimination pair creation Elektron juga jatuh kembali keluar dari pita konduksi menuju pita valensi, bergabung dengan hole Pita Valensi hole electron 13

14 Charge carriers in semiconductors Effective mass Electrons in a crystal are not totally free. The periodic crystal affects how electrons move through the lattice. We use and effective mass to modify the mass of an electron in the crystal and then use the E+M equations that describe free electrons. 14

15 Muatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor: Massa Efektif Effective mass/massa Efektif E k p mv 1 E mv d E 2 dk m m* k d E 2 dk 2 2m k 2 Turunan kedua dari E adalah konstan/tetap Tidak semua semikonduktor memiliki struktur pita parabolik sempurna 15

16 Charge carriemuatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor: Massa Efektif Massa Efektif Ge Si GaAs m n * 0.55 m m m 0 m p * 0.37 m 0.56 m m 0 16

17 Bahan Intrinsik Kristal semikonduktor sempurna 17 Tidak ada dopping dari unsur lain Tidak ada muatan pembawa pada 0 o K Pita valensi terisi penuh, pita konduksi kosong Energi panas/termal: getaran latice dapat memutus ikatan kovalen dan mendorong elektron masuk ke pita konduksi Pergerakan elektron ini tetap pada beberapa latice mengikuti kaidah distribusi Mekanika Kuantum n p n i Konsentrasi pita konduksi (elektron/cm 3 ) Konsentrasi pita valensi (hole/cm 3 )

18 Bahan Ekstrinsik Bahan intrinsik jarang dimanfaatkan, kecuali untuk piranti yang konduktivitasnya berubah berdasarkan perubahan optik atau termal. Salah satu cara adalah dengan menciptakan bahan ekstrinsik yaitu dengan mengganti atom semikonduktor pada latice dengan atom dari Gol yang berbeda (pada tabel periodik unsur) II III IV V VI B C Al Si P S Zn Ga Ge As Se Cd In Sb Te Bahan Ekstrinsik 18

19 Intrinsik (Murni) Silikon Pada 0 o Kelvin kerapatan partikel 5 x 10²³ partikel/cm³ 19 Temperatur lebih tinggi menghasilkan muatan perbawa lebih tinggi. hole ada karena ketidakhadiran elektron. Pada 23 o C terdapat 10¹º partikel/cm³ partikel pembawa bebas Silikon memiliki 4 elektron valensi

20 DOPING 2 jenis doping yaitu: Tipe-N dan Tipe-P Tipe N N untuk negatif Atom Gol V dimasukkan Ada tambahan elektron valensi yang bebas bergerak di latice Tipe P P untuk Positif. Atom Gol III dimasukkan Ada tambahan hole, elektron dari sekitar silikon bergerak untuk mengisi hole. 20

21 21

22 Gap Pita Diantara pita konduksi dan valensi adalah wilayah tingkat energi terlarang, dimana elektron tidak boleh berada di wilayah ini. Wilayah ini disebut Gap pita E G Silikon pada suhu ruangan [in electron volts]: EG 11. ev Dimana: 19 1eV joule 22

23 A LITTLE MATH n= jumlah elektron bebas p= jumlah hole ni= jumlah elektron dalam silikon intrinsik =10¹º/cm³ pi- jumlah hole dalam silikon intrinsik = 10¹º/cm³ Muatan negatif bergerak = -1.6*10-19 Coulombs Muatan positif bergerak = 1.6*10-19 Coulombs Ketesetimbangan termal (tidak ada tegangan yang terukur) n*p=(ni) 2 (pendekatan suhu ruangan) Bahan disebut tipe-n jika memiliki 10¹º elektron bebas atau lebih (demikian pula untuk tipe-p) 23

24 24 SEKIAN