BAB VIII KRISTAL SEMIKONDUKTOR

Transkripsi

1 Pndauluan Fisika Zat Padat BAB VIII KRISTAL SEMIKONDUKTOR Indikator :. Dapat mmbdakan jnis smikonduktor. Dapat mngitung konsntrasi lktron dan konsntrasi ol smikonduktor 3. Dapat mmbdakan antara lktron dngan ol I. Pndaualuan Smikonduktor mrupakan baan dngan konduktivitas listrik yang brada diantara isolator dan konduktor. Disbut smi atau stnga konduktor, karna baan ini mmang bukan konduktor murni. Smikonduktor, umumnya diklasifikasikan brdasarkan arga rsistivitas listriknya pada suu kamar, yakni dalam rntang Ωcm. Sbua smikonduktor akan brsifat sbagai isolator pada tmpratur yang sangat rnda, namun pada tmpratur ruang akan brsifat sbagai konduktor. Smikonduktor sangat brguna dalam bidang lktronik, karna konduktivitasnya dapat diuba-uba dngan mnyuntikkan matri lain (biasa disbut doping). Smikonduktor mrupakan lmn dasar dari komponn lktronika sprti dioda, transistor dan IC (intgratd circuit). Smikonduktor sangat luas pmakainnya, trutama sjak ditmukannya transistor pada akir taun 940-an. Ol karna itu smikonduktor diplajari scara intnsif dalam fisika zat padat. Namun dalam makala ini anya dibaas sifat fisis dasar smikonduktor saja. Dalam mnyajikan sifat fisis dasar smikonduktor, makala ini mmbaas rapat lktron dan ol, yakni partikl pmbawa muatan dalam smikonduktor. Makala ini juga mmbaas pngaru ktakmurnian pada rapat lktron dan ol. Baan smikonduktor yang banyak diknal contonya adala silikon (Si), grmanium (G) dan Galium Arsnida (GaAs). Grmanium daulu adala baan satu-satunya yang diknal untuk mmbuat komponn smikonduktor. Namun blakangan, Silikon mnjadi popular stla ditmukan cara mngkstrak baan Kristal Smikonduktor

2 Pndauluan Fisika Zat Padat ini dari alam. Silikon mrupakan baan trbanyak k-dua yang ada dibumi stla oksign (O ). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adala baan alam yang banyak mngandung unsur silikon. II. Klasifikasi Smikonduktor Brdasarkan murni atau tidak murninya baan, smikonduktor dibdakan mnjadi dua jnis, yaitu smikonduktor intrinsik dan kstrinsik.. Smikonduktor Intrinsik Smikonduktor intrinsik mrupakan smikonduktor yang trdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau G saja. Pada kristal smikonduktor Si, atom Si yang mmiliki 4 lktron valnsi brikatan dngan 4 atom Si lainnya, pratikan gambar. Si Si Gambar.a Struktur kristal dimnsi kristal Si Gambar.b Ikatan kovaln pada smikonduktor intrinsik (Si) Pada kristal smikonduktor instrinsik Si, sl primitifnya brbntuk kubus. Ikatan yang trjadi antar atom Si yang brdkatan adala ikatan kovaln. Hal ini disbabkan karna adanya pmakaian bua lktron brsama ( ) ol dua atom Si yang brdkatan. Mnurut tori pita nrgi, pada T 0 K pita valnsi smikonduktor trisi pnu lktron, sdangkan pita konduksi kosong. Kdua pita trsbut dipisakan ol cla nrgi kcil, yakni dalam rntang 0,8-3,7 Kristal Smikonduktor

3 Pndauluan Fisika Zat Padat V. Pada suu kamar Si dan G masing-masing mmiliki cla nrgi, V dan 0,66 V. Bila mndapat cukup nrgi, misalnya brasal dari nrgi panas, lktron dapat mlpaskan diri dari ikatan kovaln dan trksitasi mnybrangi cla nrgi. Elktron valnsi pada atom G lbi muda trksitasi mnjadi lktron bbas daripada lktron valnsi pada atom Si, karna cla nrgi Si lbi bsar dari pada cla nrgi G. Elktron ini bbas brgrak diantara atom. Sdangkan tmpat kkosongan lktron disbut ol. Dngan dmikian dasar pita konduksi diuni ol lktron, dan puncak pita valnsi diuni ol. Skarang, kdua pita trisi sbagian, dan daat mnimbulkan arus ntto bila diknakan mdan listrik. Gambar Elktron dapat mnybrangi cla nrgi mnuju pita konduksi singga mnimbulkan ol pada pita valnsi. Smikonduktor Ekstrinsik Smikonduktor yang tla trkotori (tidak murni lagi) ol atom dari jnis lainnya dinamakan smikonduktor kstrinsik. Pross pnambaan atom pngotor pada smikonduktor murni disbut pngotoran (doping). Dngan mnambakan atom pngotor (impuritis), struktur pita dan rsistivitasnya akan bruba. Ktidakmurnian dalam smikonduktor dapat mnyumbangkan lktron maupun ol dalam pita nrgi. Dngan dmikian, konsntrasi lktron dapat mnjadi tidak sama dngan konsntrasi ol, namun masing-masing brgantung pada konsntrasi dan jnis baan ktidakmurnian. Kristal Smikonduktor 3

4 Pndauluan Fisika Zat Padat Dalam aplikasi trkadang anya diprlukan baan dngan pmbawa muatan lktron saja, atau ol saja. Hal ini dilakukan dngan doping ktidakmurnian k dalam smikonduktor. Trdapat tiga jnis smikonduktor kstrinsik yaitu smikonduktor tip-n, smikonduktor tip-p, dan smikonduktor paduan. Smikonduktor Ekstrinsik Tip-n Smikonduktor dngan konsntrasi lktron lbi bsar dibandingkan konsntrasi ol disbut smikonduktor kstrinsik tip-n. Smikonduktor tip-n mnggunakan smikoduktor intrinsik dngan mnambakan atom donor yang brasal dari klompok V pada susunan brkala, misalnya Ar (arsnic), Sb (Antimony), posporus (P). Atom campuran ini akan mnmpati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal smikonduktor. Gambar 3 Atom pngotor untuk mngasilkan smikonduktor kstrinsik tip-n Konsntrasi lktron pada Si dan G dapat dinaikkan dngan pross doping unsur valnsi 5. Sisa satu lktron akan mnjadi lktron bbas, jika mndapatkan nrgi yang rlatif kcil saja (disbut sbagai nrgi ionisasi). Elktron ini akan mnamba konsntrasi lktron pada pita konduksi. Elktron yang mninggalkan atom pngotor yang mnjadi ion disbut dngan lktron kstrinsik. Kbradan impuriti donor digambarkan dngan kadaan diskrit pada nrgi gap pada posisi didkat pita konduksi. Kristal Smikonduktor 4

5 Pndauluan Fisika Zat Padat (a) (b) Gambar 4 (a) Kristal smikonduktor kstrinsik tip-n dua dimnsi (b)pita nrgi smikonduktor katrinsik tip-n Pnambaan atom donor tla mnamba lvl nrgi pada pita konduksi yang brada diatas nrgi gap singga mmprmuda lktron untuk mnybrang k pita konduksi. Pada suu kamar sbagian bsar atom donor trionisasi dan lktronnya trksitasi k dalam pita konduksi. Singga jumla lktron bbas (lktron intrinsik dan lktron kstrinsik) pada smikonduktor tipn jau lbi bsar dari pada jumla ol (ol intrinsik). Ol sbab itu, lktron di dalam smikonduktor tip-n disbut pmbawa muatan mayoritas, dan ol disbut sbagai pmbawa muatan minoritas. Smikonduktor Ekstrinsik Tip-p Smikonduktor tip-p, dimana konsntrasi lubang lbi tinggi dibandingkan lktron, dapat diprol dngan mnambakan atom aksptor. Pada Si dan G, atomnya asptor adala unsur brvalnsi tiga (klompok III pada susunan brkala) misalnya B (boron), Al (alumunium), atau Ga (galium). Kristal Smikonduktor 5

6 Pndauluan Fisika Zat Padat Gambar 5 Atom pngotor untuk mngasilkan smikonduktor kstrinsik tip-p Karna unsur trsbut anya mmiliki tiga lktron valnsi, maka trdapat satu kkosongan untuk mmbntuk ikatan kovaln dngan atom induknya. Atom trsbut akan mngikat lktron dari pita vlnsi yang brpinda k pita konduksi. Dngan pnangkapan sbua lktron trsbut, atom aksptor akan mnjadi ion ngatip. Atom aksptor akan mnmpati kadaan nrgi dalam nrgi gap di dkat pita valnsi. (a) (b) Gambar 6 (a) Kristal smikonduktor kstrinsik tip-p dalam dua dimnsi (b)pita nrgi smikonduktor kstrinsik tip-p Pada smikonduktor tip-p, atom dari golongan III dalam sistm priodik unsur misalnya Ga, dibubukan kdalam kristal smikonduktor intrinsik. Ol karna galium trmasuk golangan III dalam sistm priodik unsur, atom Ga mmiliki tiga bua lktron valnsi. Akibatnya, dalam brikatan dngan atom silikon di dalam kristal, Ga mmrlukan satu lktron lagi untuk brpasangan dngan atom Si. Ol sbab itu atom Ga Kristal Smikonduktor 6

7 Pndauluan Fisika Zat Padat muda mnangkap lktron, singga disbut aksptor. Jika ini trjadi atom aksptor mnjadi klbian lktron singga mnjadi brmuatan ngatif. Dalam al ini dikatakan atom aksptor trionkan. Ion aksptor ini mmpunyai muatan tak bbas, ol karna tak brgrak dibawa mdan listrik luar. Ion Si yang lktronnya ditangkap ol atom aksptor trbntuk mnjadi lubang, yang disbut lubang kstrinsik. Jlasla bawa pada smikonduktor tip-p, lubang mrupakan pmbawa muatan yang utama, singga disbut pmbawa muatan mayoritas. Disini lktron bbas mrupakan pmbawa muatan minoritas. Smikonduktor Paduan Smikonduktor paduan (compound smiconductor) dapat diprol dari unsur valnsi tiga dan valnsi lima (paduan III-V, misalnya GaAs atau GaSb) atau dari unsur valnsi dua dan valnsi nam (paduan II-VI, misalnya ZnS). Ikatan kimia trbntuk dngan pminjaman lktron ol unsur dngan vlnsi lbi tinggi kpada unsur dngan valnsi lbi rnda (liat gambar.6). Atom donor pada smikonduktor paduan adala unsur dngan valnsi lbi tinggi dibandingkan dngan unsur yang diganti. Atom aksptor adala unsur dngan valnsi lbi rnda dibandingkan dngan unsur yang diganti (ditmpati). (a) (b) Gambar 7 Kristal smikonduktor paduan GaAs dalam dua dimnsi Kristal smikonduktor paduan GaAs tip-n dua dimnsi Kristal Smikonduktor 7

8 Pndauluan Fisika Zat Padat III. Mngukur Cla Enrgi ( E g ) dngan Mtod Optik Sifat konduktivitas dan konsntrasi ditntukan ol faktor E g K T, prbandingan cla nrgi dngan tmpratur. Ktika prbandingan ini bsar, konsntrasi sifat instrinsik akan rnda dan konduktivitasnya juga akan rnda. Nilai trbaik dari cla nrgi diprol dari pnyrapan optik. Cla nrgi ( Eg ) B mrupakan slisi antara nrgi trnda pada pita konduksi ( Ek ) dngan nrgi trtinggi pada pita valnsi ( Ev ). Atau scara matmatis dapat ditulis: E Eg Ek Ev () E k E v Pita konduksi Cla nrgi Pita valnsi k Gambar 8 Pita Enrgi pada Smikonduktor Untuk mngukur bsarnya cla nrgi ( Eg ) dapat dilakukan dngan dua cara, yaitu pnrapan langsung dan pnyrapan tidak langsung.. Pnyrapan Langsung Pada pnyrapan langsung ini, lktron mngabsorpsi foton dan langsung mloncat k dalam pita konduksi. Bsarnya cla nrgi ( Eg ) sama dngan bsarnya nrgi foton (glombang lktromagntik). Scara matmatis dapat dituliskan E E g () Kristal Smikonduktor 8

9 Pndauluan Fisika Zat Padat Dimana mrupakan frkunsi angulr dari foton (glombang kktromagntik). Untuk lbi jlasnya dapat diliat dari diagram brikut. Pnyrapan. Pnyrapan Tidak Langsung Pada pnyrapan tidak langsung, lktron mngabsorpsi foton skaligus fonon. Pross ini mmnui ukum kkkalan nrgi. Singga slain nrgi foton (partikl dalam glombang lktromagntik) trdapat juga fonon (partikl dalam glombang lastik) yang dipancarkan maupun disrap, dapat ditulis Eg (3) Dimana tanda mnunjukan bawa dalam pross pnyrapan tidak langsung ini kbradaan fonon ada yang dipancarkan (+) atau disrap (-). Jika digambarkan, akan diprol gambar sbagai brikut. E Gambar 9 Pnyrapan Langsung Pnyrapan fonon Eg foton E Gambar 0 Pnntuan cla nrgi dngan pnyrapan tidak langsung Kristal Smikonduktor 9

10 Pndauluan Fisika Zat Padat IV. Prsamaan Grak Elktron dalam Sbua Pita Enrgi Skarang kita akan mnntukan prsamaan grak untuk sbua lktron dalam pita nrgi. Kcpan klompok untuk bbrapa fungsi glombang dngan vktor glombang k adala : V g d (4) dk dngan mrupakan frkunsi sudut. Jika frkunsi sudut ini diubungkan dngan nrgi dari fungsi glombang adala. Dngan mnsubstitusi kdalam prsamaan untuk kcpatan grup maka akan diprol: Vg V g E( k) atau d d d ( ) ( ) ( ) dk dk dk (5) Pngaru kristal di dalam grak lktron dibrikan dalam ubungan disprsi k. Usaa yang dilakukan ol mdan listrik pada lktron adala: F x E v t (6). g Pada saat blajar Matmatika Fisika, kita mngtaui bawa ditulis dalam bntuk d atau k d k dapat d k (7) d k Dngan mnsubstitusi prsamaan 5) k prsamaan 6), maka kita mndapatkan d Vg d k V k (8) Dngan mmbandingkan prsamaan 6) dan prsamaan 8) maka g Kristal Smikonduktor 0

11 Pndauluan Fisika Zat Padat Maka E Vg t Vg k k dk E t dt atau E k t (9) Prsamaan 9) diatas mrupakan prsamaan untuk gaya listrik yang dialami ol lktron karna brada dalam mdan listrik E. Akirnya diprol: dk F (0) dt Inila prsamkaan grak lktron dalam pita nrgi. V. Massa Efktif Pada pmbaasan sblumnya, kita tla mngtaui prsamaan grak lktron dalam pita nrgi dan kcpatan grup yang diubungkan dngan nrgi. Skarang kita akan mngtaui brapa bsarnya massa fktif. Massa fktif lktron mrupakan massa lktron dalam pita nrgi ktika mngalami gaya atau prcpatan. Bsarnya massa fktif lktron ditntukan dari prsamaan grak yang tla dibaas sblumnya. Adapun langka-langka mnntukan bsaarnya massa fktif adala sbagai brikut. Dari prsamaan sblumnya kita tau bawa prumusan untuk kcpatan lktron adala prol V g d d d ( ) ( ) ( ) dk dk dk () Apabila kcpatan grup ini kita turunkan tradap waktu, maka akan kita dvg dt Atau dapat dituliskan dalam bntuk d () dk dt dvg d dk (3) dt dk dt Kristal Smikonduktor

12 Pndauluan Fisika Zat Padat Dari prsamaan grak kita ktaui bawa dk F dt Dngan mnsubstitusi prsamaan grak ini k prsamaan sblumnya, singga diprol atau dapat ditulis mnjadi dvg d F dt dvg dt dk (4) d F (5) dk Dari prsamaan ini, ruas kiri mrupkan prcpatan, dan ruas kanan mrupakan ssuatu dikalikan gaya F. Brdasarkan ukum II Nwton kita ktaui bawa: F F ma atau a m Singga dari prsamaan trsbut didfinisikanla massa fktif yang bsarnya m d (6) dk * Inila prsamaan yang mnunjukkan dfinisi massa fktif. VI. Prbdaan Elktron dan Hol Kadaan orbital kosong dalam sbua pita yang trisi dan kadaan lktron pada zat padat adala pnting. Orbital kosong dalam sbua pita diknal dngan nama ol. Hol dalam mdan listrik dan mdan magnt mmpunyai arga positif +. Alasannya ada dalam lima taap brikut yang skaligus mnjadi pmbda antara lktron dan ol:. k k Vktor glombang total untuk lktron dalam pita yang trisi adala nol : k 0. Ksimpulan ini diambil dari simtri dara Brillouin: stiap tip kisi dasar adala simtri pada r r untuk kbanyakan kisi. Hal itu brdasarkan dara Brillouin. Jika pita trisi ol Kristal Smikonduktor

13 Pndauluan Fisika Zat Padat smua pasangan orbital k dan k, maka total vktor glombang adala nol. Jika lktron ilang dari sbua orbital vktor glombang k, total vktor glombang dari sistm adala k dan ditandai dngan munculnya ol. Hasil yang mngrankan: lktron yang ilang dari posisi ol slalu mnunjukkan kadaan di k. Tapi vktor glombang yang bnar k dari ol adala k. Hol adala sala satu gambaran sbua pita yang kilangan satu lktron, kita dapat mngatakan ol mmiliki vktor glombang k, atau pita yang kilangan satu lktron vktor glombang totalnya k.. k k Enrgi dari ol brlawanan tanda dngan nrgi lktron yang ilang, karna itu diambil dari krja untuk mmindakan sbua lktron dari orbital rnda k orbital tinggi. Jika pitanya simtri, maka k k k k. Jika digambarkan akan trliat sbua skma pita nrgi yang mnggambarkan ol. 3. v v Kcpatan ol sama dngan kcpatan lktron yang ilang. Dari gambar kita liat k k, jadi k v k v. Gambar Kristal Smikonduktor 3

14 Pndauluan Fisika Zat Padat 4. m m Massa fktif brbanding trbalik dngan kmiringan kurva d, dan untuk pita ol brlawanan tanda dngan lktron pada pita dk valnsi. Di bagian atas dkat pita valnsi m adala ngatif, jadi m adala positif. dk 5. F ( E V xb) dt c dk F ( E V xb) dt c Hal ini trkait dngan gaya yang dialami ol lktron dan ol yang brada dalam pngaru mdan listrik dan mdan magnt. VII. Konsntrasi Pmbawa dalam Smikonduktor Intrinsik bisa Dalam smikonduktor µ disbut tingkat Frmi. Pada tmpratur tinggi kita mndapatkan pita konduksi dari smikonduktor є-µ» kbt, dan fungsi distribusi frmi Dirac, dapat ditulis f / kbt ( ) (7) Brlaku ktika f «. Enrgi lktron di pita konduksi adala: dimana k / m (8) K g m adala massa fktif lktron, maka rapat orbital di є adala F F D m 3 / Konsntrasi lktron dalam pita konduksi adala n g D m kbt kbt f d Eg d g 3/ Eg (9) (0) Dngan asil intgral 3 mkbt n kbt / k T b () Kristal Smikonduktor 4

15 Pndauluan Fisika Zat Padat Ini brfungsi untuk mngitung konsntrasi ksimbangan ol p. Fungsi distribusi f untuk ol brubungan dngan fungsi distribusi lktron f dngan f f s yaitu f / k T B kbt () / / kbt pada kondisi (µ-є)»kbt. Jika ol dkat pita valnsi tratas brlaku sbagai partikl dngan massa fktif m, maka rapat orbital ol adala: D m 3 dngan mngukur nrgi positif k atas dari pita valnsi tratas didapat: p 0 mk BT d dimana p konsntrasi ol dalam pita valnsi. D f 3 / kbt (3) (4) Gambar. Skala nrgi untuk pritungan statistik, fungsi distribusi Frmi trliat pada skala yang sama, untuk sbua tmpratur kbt«eg. Lvl frmi µ trgantung pada cla pita, sbagai sbua smikonduktor murni. Jika є = µ, maka f = ½. Kristal Smikonduktor 5

16 Pndauluan Fisika Zat Padat Kita mngalikan n dan p untuk mmbuktikan ubungan ksimbangan: k BT np 4 3 m m 3 g / kbt (5) bntuk prsamaan trsbut mrupakan ukum aksi massa. Dimana asil kali np konstan pada tmpratur trtntu.jarak tingkat Frmi dari kdua ujung pita arus sama dngan k B T. Pada 300 K nilai np adala 3.6 X 07 cm-6 untuk G dan 4.6 X 09 cm-6 untuk Si, smuanya diitung dngan m m m. Dalam smikonduktor intrinsik, jumla lktron sama dngan jumla ol. n i p i k BT 3 / m m 3 / 4 g / kbt Eg pmbawa intrinsik trgantung pada, dimana Eg adala cla nrgi. Kita k T jumlakan prsamaan () dan (4) untuk mndapatkan B (6) atau untuk lvl frmi, 3/ / k g / k BT m BT m 3 m g kbt ln 4 m (7) (8) jika m m, maka g dan tingkat Frmi brada ditnga-tnga cla.. Mobilitas dalam Dara Intrinsik Mobilitas adala bsarnya kcpatan drift pr satuan nrgi: (9) E Mobilitas didfinisikan brarga positif untuk lktron maupun ol. Mskipun kcpatan driftnya brlawanan. Dngan mnuliskan atau untuk mobilitas lktron dan ol kita dapat mmbdakan antara sbagai potnsial Kristal Smikonduktor 6

17 Pndauluan Fisika Zat Padat kimia dan sbagai mobilitas. Dalam smikonduktor intrinsik idal, mobilitas ditntukan dngan tumbukan diantara lktron dan fonon. Konduktivitas lktrik adala jumla kontribusi lktron dan ol: n p (30) dimana n dan p adala konsntasi lktron dan ol. Pada Bab 6 prubaan kcpatan pada muatan q tla ditmukan mnjadi ; m m. Mobilitas dngan Adanya Pngotor q E m, dimana: (3) Sjumla kcil fonon akan mnntukan mobilitas pmbawa ktika scara rlatif ada sdikit atom pngotor pada tmpratur tinggi. Sjumla kcil atom pngotor mungkin pnting pada konsntrasi pngotor yang lbi tinggi. Sjumla kcil itu akan mnntukan apaka pngotor ntral atau trionisasi. Masala atom ntral kuivaln dngan sjumla kcil lktron dalam atom idrogn. Kita catat bawa dara orbit Bor prtama dinaikan sbsar m / m*. VIII. Pngaru Trmolktrik pada Smikonduktor. Anggap sbua smikonduktor dngan suu yang diprtaankan konstan smntara mdan listrik dapat mnmbusnya dngan kcpatan arus j a. Jika arus anya dibawa ol lktron maka fluks muatan yaitu j n E n E (3) a Enrgi rata-rata yang ditransformasikan ol lktron mnunjukan tingkat nrgi Frmi, Dimana 3 Ec kbt, Ec adala nrgi pada pita konduksi. Kita mnunjukan tingkat nrgi Frmi karna prmukaan kontak yang brbda pada konduktor mmiliki tingkat nrgi yang sama. Fluks nrgi yang disrtai fluks muatan yaitu Kristal Smikonduktor 7

18 Pndauluan Fisika Zat Padat 3 ju n Ec kbt E (33) Kofisin Pltir didfinisikan ol ubungan ju ja, yaitu nrgi yang dibawa stiap ol tiap satuan muatan. Untuk lktron, ol 3 Ec kbt / (34) Dan ngatif karna fluks nrgi brlawanan ara dngan fluks muatan. Untuk dimana j p E ; q 3 ju p Ev kbt E Ev adala nrgi pada pita valnsi. Dan 3 Ev kbt / (35) (36) Dan positif. Prsamaan (34) dan (36) mrupakan asil yang sdrana dari tori kcpatan drift; prlakuan dari prsamaan transformasi Boltzmann mmbrikan prbdaan yang kcil. Kkuatan Trmolktrik absolut Q didfinisikan dari rangkaian trbuka mdan listrik yang diciptakan ol gradin tmpratur. E Q grad T (37) Kofisin Pltir diubungkan dngan kkuatan trmolktrik ol QT (38) Ini mrupakan ubungan Klvin yang trknal tntang kstimbangan dalam Trmodinamika. IX. Smikonduktor Amorf Smikonduktor amorf dapat diprol dari bntuk slaput tipis dngan pnguapan atau dari suprcooling. Apa yang trjadi jika modl pita dalam zat padat tanpa kristal yang tratur? Mskipun kadaan lktron tidak dapat didskrifsikan dngan baik, pndfinisian nilai k mngijinkan pita dan cla nrgi masi trjadi. Kristal Smikonduktor 8

19 Pndauluan Fisika Zat Padat Dalam smikonduktor amorf, baik lktron maupun ol dapat mmbawa arus namun pmbawa ditujukan untuk mmprkuat sjumla kcil struktur yang acak. Artinya lintasan bbas mnjadi trurut dari jarak antar atom rata-rata. Dkat pita dngan kadaan yang sangat brbda trjadi lokalisasi dan konduksi ol pross trmal. Sambungan p-n Apa yang trjadi jika kita sambungkan dua potong smikonduktor tip n dan tip p sprti gambar. 3? Pada sambungan sisi p trdapat ol bbas dan (-) atom pngotor aksptor yang diionisasi dngan konsntrasi sama dan scara ksluruan brsifat ntral. Pada sambungan sisi n trdapat lktron bbas dan sjumla atom pngotor donor yang diionisasi. Pmbawa mayoritas pada sisi p adala ol dan pada sisi n adala lktron Gambar 4a. Dalam kadaan kstimbangan trmal dngan konsntrasi pmbawa mayoritas kcil dibanding pmbawa minoritas. Konsntrasi ol dalam sisi p sprti brbaur mmnui kristal scara uniform. Elktron akan sgra brdifusi dari sisi n ttapi difusi balik listrik trjadi scara ntral. Ssgra mungkin muatan kcil ditransfr ol difusi yang trjadi, yaitu di blakang sbla kiri pada sisi p klbian atom aksptor yang diionisasi dan pada sisi n klbian atom donor yang diionisasi (Gambar. 4b). Lapisan ganda pada uatan mnciptakan mdan listrik scara langsung dari sisi n k sisi p yang mncga trjadinya difusi dan mmprtaankan pmisaan kdua jnis pmbawa muatan. Karna lapisan ganda potnsial lktrostatis dalam kristal naik pada dara sambungan. Potnsial lktrokimia *) untuk kristal dan sambungan adala konstan skalipun pada sambungan trdapat knaikan potnsial lktrosatatis. Pada kstimbangan trmal partikl nto yang mngalir (baik ol maupun lktron) adala nol. Untuk arus dissuaikan dngan gradin potnsial kimia dan bukan dngan gradin potnsial listrik saja. Gradin konsntrasi tpatnya akan mngilangkan gradin potnsial lktrostatis. Voltmtr mgukur prbdaan potnsial lktrokimia singga voltmtr yang diubungkan dngan kristal trbaca nol. Kristal Smikonduktor 9

20 Pndauluan Fisika Zat Padat Bakan dalam kstimbangan trmal aliran arus lktron akan sangat kcil jnr dari dara n k dara p dimana lktron mngakiri idupnya dngan cara rkombinasi dngan ol. Arus rkombinasi ini stimbang ol arus jng lktron yang diasilkan scara trmal dalam dara p dan yang brdifusi k dara n: j nr 0 j 0 0 ; (39) ng Sbaliknya lktron akan mnumpuk pada sala satu sisi pngalang. *)potnsial lktrokimia untuk masing-masing pmbawa dimana-mana konstan dalam kstimbangan trmal. Untuk ol p r r, dimana p konsntrasi ol k T ln konstan B dan potnsial lktrostatis. Kita dapat mliat p akan rnda jika tinggi. Sama alnya untuk lktron k T ln r r konstan B n, n akan rnda jika rnda. Gambar 3 Sbua sambungan p-n yang trbuat dari kristal tunggal yang diuba mnjadi dua bagian yang trpisa. Atom pngotor aksptor dimasukan k dalam sala satu bagian untuk mngasilkan dara p dimana pmbawa muatannya adala ol. Atom pngotor donor dimasukan k dalam satu bagianya lagi untuk mngasilkan dara n dimana pmbawa muatannya adala lktron. Tbal dara pmisa mungkin kurang dari 4 0 cm. (b) Gambar 4 (a) Prbdaan konsntrasi lktron dan ol pada sambungan (voltas nol ditrapkan). Pmbawa brada dalamkstimbangan trmal dngan atom pngotor aksptor dan donor singga konsntrasi lktron dan ol adala konstan di sluru bagian kristal ssuai dngan ukum aksi massa. (b) potnsial lktrostatis dari ion aksptor (-) dan ion donor (+) dkat sambungan. Gradin potnsial mmisakan difusi ol dari sisi p k sisi n dan mmisakan lktron dari sisi n k sisi p. Mdan listrik di daa sambungan disbut mdan listrik pmbangunan. Kristal Smikonduktor 0

21 Pndauluan Fisika Zat Padat X. Rktifikasi Sbua sambungan p-n dapat brlaku sbagai sbua rktifir. Arus yang bsar akan mngalir jika kita mnggunakan bda potnsial mlwati sambungan dalam satu ara, ttapi jika bda potnsialnya dalam ara yang brlawanan maka arus yang mngalir sangat kcil. Jika sbua bda potnsial altrnatif dipasang mlwati sambungan p-n maka arus akan mngalir dalam satu ara. Untuk bda potnsial panjar mundur (k blakang) sbua potnsial ngatif digunakan untuk bagian p dan bda potnsil positif bagian n, dngan cara dmikian akan mningkatkan prbdaan potnsial diantara dua bagian. Skarang praktisnya tidak ada lktron yang dapat mnmpu bukit nrgi potnsial dari printang sisi rnda mnuju sisi yang lbi tinggi. Arus dikombinasi kmbali diasilkan dari faktor Boltzman: V Jnr ( Vback) Jnr (0) xp( ) (40) k T Faktor Boltzman ditntukan ol banyaknya lktron dngan nrgi yang cukup untuk mlwati printang. Arus gnrasi trmal dari lktron tidak kusus disbabkan ol bda potnsial balik, karna gnrasi lktron mngalir k bukit yang rnda ( dari p k n) dimana B J ( V back) J (0) (4) ng Kita liat pada prsamaan (39) bawa J (0) J (0) ; kmudian dari prsamaan nr (40) arus gnrasi mndominasi rkombinasi arus. Ktika voltag maju digunakan, rkombinasi arus mningkat karna nrgi potnsial printang lbi rnda. Dngan dmikian mmungkinkan banyak lktron dapat mngalir dari bagian n k bagian p. Lagi-lagi arus gnrasi tidak bruba. ng ng V Jnr ( V forward) Jnr (0) xp( ) (4) k T J ( Vforward) J (0) (43) ng Arus ol yang mngalir mlwati sambungan akan brklakuan sama dngan arus lktron. Pnggunaan voltag yang rnda k tinggi dari pngalang lktron ng B Kristal Smikonduktor

22 Pndauluan Fisika Zat Padat juga rnda untuk ol, singga banyak lktron mngalir dari bagian n dngan kondisi voltag yang sama. Total arus listrik maju, trmasuk pngaru yang brasal dari ol dan lktron, dibrikan ol I I (44) / ( V K B T s ) Dimana Is adala jumla dari dua gnrasi arus. Prsamaan ini cukup baik untuk sambungan p-n dalam grmanium. XI. Aplikasi Baan Smikonduktor Untuk mndapatkan alat-alat smikonduktor yang brmutu tinggi, soal yang trpnting adala mndapatkan kmurnian dan ksmpurnaan dari kristal tunggal dari smikonduktor yang diprgunakan sbagai baan untuk pmbuatan alat-alat trsbut. Hal ini disbabkan bawa scara umum pnambaan sdikit ktidakmurnian mmpngarui pmbawa muatan, singga mmpngarui komponn yang akan dibuatnya. Sbaliknya, smakin smpurna kristalnya yang brarti mmpunyai krusakan lapisan kristal yang sangat sdikit, ksmpurnaan kristal ini sangat mnntukkan karaktristik dari komponn yang dibuatnya. Jadi syarat utamanya adala bagaimana mndapatkan smikonduktor yang cukup murni dan bagaimana mnambakan sjumla ktidakmurnian dngan tpat untuk mndapatkan komponn smikonduktor kualitas tinggi. Sjak ditmukannya transistor, tknologi pmbuatan kristal maju dngan psat, yang mmungkinkan produsn dapat mmbuat baan smikonduktor lmntair sprti G dan Si, juga baan smikonduktor komponn sprti Ga As dan CdT yang sangat kas.. Transistor Transistor adala alat smikonduktor yang dipakai sbagai pnguat, pmotong (switcing), stabilisasi tgangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya. Transistor dapat brfungsi smacam kran listrik, dimana brdasarkan arus inputnya (BJT) atau tgangan inputnya (FET), mmungkinkan pngaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumbr listriknya. Kristal Smikonduktor

23 Pndauluan Fisika Zat Padat. Dioda Sbua dioda brfungsi sbagai vrsi lktronik dari katup sara. Dngan mmbatasi ara prgrakan muatan listrik, dioda anya mngijinkan arus listrik untuk mngalir k satu ara saja dan mngalangi aliran k ara yang brlawanan. 3. Sl Surya Sl surya atau sl potovoltaic, adala sbua alat smikonduktor yang trdiri dari sbua wilaya-bsar dioda p-n junction, di mana, dalam adirnya caaya mataari mampu mnciptakan nrgi listrik yang brguna. Pngubaan ini disbut fk potovoltaic. Bidang rist brubungan dngan sl surya diknal sbagai potovoltaics. Sl surya mmiliki banyak aplikasi. Mrka trutama cocok untuk digunakan bila tnaga listrik dari grid tidak trsdia, sprti di wilaya trpncil, satlit pngorbit [[bumi], kalkulator gnggam, pompa air, dll. Sl surya (dalam bntuk modul atau panl surya) dapat dipasang di atap gdung di mana mrka brubungan dngan invrtr k grid listrik dalam sbua pngaturan nt mtring. 4. Mikropossor Sbua mikroprossor (disingkat µp atau up) adala sbua cntral procssing unit (CPU) lktronik komputr yang trbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sbua sirkuit trintgrasi smikonduktor. DAFTAR PUSTAKA Kittl, C.976.Introduction to Solid Stat Pysics.USA.Jon wily & Sons. Parno, Drs. 00. Pndauluan Fisika Zat Padat. Malang: FMIPA Univrsitas Ngri Malang. Sutrisno Elktronika Tori Dan Pnrapannya. Bandung: ITB. Windartun. Diktat Fisika Zat Padat I. UPI Bandung. Kristal Smikonduktor 3