? daerah sambungan = daerah deflesi. daerah deflesi

Transkripsi

1 Kode FIS daerah sambuga = daerah deflesi Drift elektro Difusi elektro E F E C Difusi hole daerah deflesi E V Drift hole BAGIAN PROYEK PENGEMBANGAN KURIKULUM DIREKTORAT PENDIDIKAN MENENGAH KEJURUAN DIREKTORAT JENDERAL PENDIDIKAN DASAR DAN MENENGAH DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL 004

2 Kode FIS.5 Peyusu Drs. Muasir, MS. Editor: Dr. Budi Jatmiko, M.Pd. Drs. Suardioo, M.Si. BAGIAN PROYEK PENGEMBANGAN KURIKULUM DIREKTORAT PENDIDIKAN MENENGAH KEJURUAN DIREKTORAT JENDERAL PENDIDIKAN DASAR DAN MENEGAH DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL 004 Modul.FIS.5 Semikoduktor ii

3 Kata Pegatar Puji syukur kami ajatka ke hadirat Tuha Yag Maha Esa atas karuia da hidayah-nya, kami daat meyusu baha ajar modul maual utuk SMK Bidag Adatif, yaki mata-elajara Fisika, Kimia da Matematika. Modul yag disusu ii megguaka edekata embelajara berdasarka kometesi, sebagai kosekuesi logis dari Kurikulum SMK Edisi 004 yag megguaka edekata kometesi (CBT: Cometecy Based Traiig). Sumber da baha ajar okok Kurikulum SMK Edisi 004 adalah modul, baik modul maual mauu iteraktif dega megacu ada Stadar Kometesi Nasioal (SKN) atau stadarisasi ada duia kerja da idustri. Dega modul ii, diharaka diguaka sebagai sumber belajar okok oleh eserta diklat utuk mecaai kometesi kerja stadar yag diharaka duia kerja da idustri. Modul ii disusu melalui beberaa tahaa roses, yaki mulai dari eyiaa materi modul, eyusua askah secara tertulis, kemudia disettig dega batua alat-alat komuter, serta divalidasi da diujicobaka emirik secara terbatas. Validasi dilakuka dega tekik telaah ahli (exertjudgmet), semetara ujicoba emirik dilakuka ada beberaa eserta diklat SMK. Haraaya, modul yag telah disusu ii meruaka baha da sumber belajar yag berbobot utuk membekali eserta diklat kometesi kerja yag diharaka. Namu demikia, karea diamika erubaha sai da tekologi di idustri begitu ceat terjadi, maka modul ii masih aka selalu dimitaka masuka utuk baha erbaika atau direvisi agar suaya selalu releva dega kodisi laaga. Pekerjaa berat ii daat terselesaika, tetu dega bayakya dukuga da batua dari berbagai ihak yag erlu diberika eghargaa da ucaa terima kasih. Oleh karea itu, dalam kesemata ii tidak Modul.FIS.5 Semikoduktor iii

4 berlebiha bilamaa disamaika rasa terima kasih da eghargaa yag sebesar-besarya keada berbagai ihak, terutama tim eyusu modul (eulis, editor, teaga komuterisasi modul, teaga ahli desai grafis) atas dedikasi, egorbaa waktu, teaga, da ikira utuk meyelesaika eyusua modul ii. Kami megharaka sara da kritik dari ara akar di bidag sikologi, raktisi duia usaha da idustri, da akar akademik sebagai baha utuk melakuka eigkata kualitas modul. Diharaka ara emakai beregag ada azas keterlaksaaa, kesesuaia da fleksibilitas, dega megacu ada erkembaga IPTEK ada duia usaha da idustri da otesi SMK da dukuga duia usaha idustri dalam ragka membekali kometesi yag terstadar ada eserta diklat. Demikia, semoga modul ii daat bermafaat bagi kita semua, khususya eserta diklat SMK Bidag Adatif utuk mata-elajara Matematika, Fisika, Kimia, atau raktisi yag sedag megembagka modul embelajara utuk SMK. Jakarta, Desember 004 a.. Direktur Jederal Pedidika Dasar da Meegah Direktur Pedidika Meegah Kejurua, Dr. Ir. Gatot Hari Priowirjato, M.Sc. NIP Modul.FIS.5 Semikoduktor iv

5 Daftar Isi Halama Samul... i Halama Fracis... ii Kata Pegatar... iii Daftar Isi... v Peta Keduduka Modul... vii Daftar Judul Modul... ix Glosary... x I. PENDAHULUAN a. Deskrisi... 1 b. Prasarat... 1 c. Petujuk Pegguaa Modul... d. Tujua Akhir... e. Kometesi... 4 f. Cek Kemamua... 5 II. PEMELAJARAN A. Recaa Belajar Peserta Diklat... 6 B. Kegiata Belajar III. EVALUASI 1. Kegiata Belajar... 7 a. Tujua Kegiata Pemelajara... 7 b. Uraia Materi... 7 c. Ragkuma d. Tugas e. Tes Formatif f. Kuci Jawaba g. Lembar Kerja... 4 A. Tes Tertulis B. Tes Praktik Modul.FIS.5 Semikoduktor v

6 KUNCI JAWABAN A. Tes Tertulis B. Lembar Peilaia Tes Praktik IV. PENUTUP DAFTAR PUSTAKA Modul.FIS.5 Semikoduktor vi

7 Peta Keduduka Modul FIS.01 FIS.0 FIS.03 FIS.10 FIS.11 FIS.1 FIS.04 FIS.05 FIS.06 FIS.07 FIS.08 FIS.09 FIS.13 FIS.18 FIS.19 FIS.14 FIS.15 FIS.16 FIS.17 FIS.0 FIS.1 FIS. FIS.3 FIS.4 FIS.7 FIS.5 FIS.6 FIS.8 Modul.FIS.5 Semikoduktor vii

8 DAFTAR JUDUL MODUL No. Kode Modul Judul Modul 1 FIS.01 Sistem Satua da Pegukura FIS.0 Pembacaa Masalah Mekaik 3 FIS.03 Pembacaa Besara Listrik 4 FIS.04 Pegukura Gaya da Tekaa 5 FIS.05 Gerak Lurus 6 FIS.06 Gerak Meligkar 7 FIS.07 Hukum Newto 8 FIS.08 Mometum da Tumbuka 9 FIS.09 Usaha, Eergi, da Daya 10 FIS.10 Eergi Kietik da Eergi Potesial 11 FIS.11 Sifat Mekaik Zat 1 FIS.1 Rotasi da Kesetimbaga Beda Tegar 13 FIS.13 Fluida Statis 14 FIS.14 Fluida Diamis 15 FIS.15 Getara da Gelombag 16 FIS.16 Suhu da Kalor 17 FIS.17 Termodiamika 18 FIS.18 Lesa da Cermi 19 FIS.19 Otik da Alikasiya 0 FIS.0 Listrik Statis 1 FIS.1 Listrik Diamis FIS. Arus Bolak-Balik 3 FIS.3 Trasformator 4 FIS.4 Kemageta da Iduksi Elektromagetik 5 FIS.5 Semikoduktor 6 FIS.6 Pirati semikoduktor (Dioda da Trasistor) 7 FIS.7 Radioaktif da Siar Katoda 8 FIS.8 Pegertia da Cara Kerja Baha Modul.FIS.5 Semikoduktor viii

9 Glossary ISTILAH Koduktor Isolator Semikoduktor Suerkoduktor Pita eergi Pita valesi Pita koduksi Bad ga Atom Door KETERANGAN Baha adat yag daat meghatarka listrik dega baik, sebagai cotoh adalah baha logam, ada baha logam ita koduksiya terisi sebagia oleh elektro sehigga mudah bergerak. Hal iilah yag meyebabka sifat hatara listrikya baik. Baha adat yag tidak daat meghatarka listrik dega baik. Karea jika ditijau dari struktur ita eergiya, ita koduksi kosog, ita valesi terisi sebagia da bad gaya besar, sehigga elektro sulit bergerak bebas, hal iilah yag meyebabka sifat hatara listrikya jelek. Baha adat yag sifat hatara listrikya terletak atara baha koduktor da baha isolator. Pada suhu redah berrilaku seerti baha isolator, da ada suhu tiggi berrilaku seerti baha koduktor. Pita koduksi da ita valesi terisi sebagia serta bad gaya cuku semit. Baha yag daat meghatarka listrik sagat baik, karea hambataya medekati ol. Samai saat ii baha jeis ii baru ditemuka utuk oerasi ada temeratur redah (dibawah 0 o C). Berdasarka azas Paulli, dalam suatu tigkat eergi tidak boleh ada lebih dari satu elektro ada keadaa yag sama. Kumula garis ada tigkat eergi yag sama aka salig berhimit da membetuk satu ita: ita eergi. Pita eergi teratas yag terisi euh oleh elektro. Pita eergi diatas ita valesi yag terisi sebagia atau tidak terisi oleh elektro (kosog) Daerah kosog atara ita valesi da ita koduksi. Atau biasa juga dikeal dega daerah celah eergi = bad ga Atom egotor yag memiliki 5 elektro valesi, sehigga semikoduktor yag dikotori dega atom door ii megalami kelebiha elektro.sehigga semikoduktor mejadi tie-. Cotoh: atom fosor, arseikum. Modul.FIS.5 Semikoduktor ix

10 Atom Aksetor Semikoduktor itrisik Semikoduktor ekstrisik Elektro Hole Amorf Kristal Diode semikoduktor Atom egotor yag memiliki 3 elektro valesi, sehigga semikoduktor yag dikotori dega atom aksetor aka kekuraga elektro, sehigga ada hole. Sehigga semikoduktor mejadi tie-. Cotoh: atom boro, Idium, galium. Baha semikoduktor yag masih muri, belum megalami egotora oleh atom door atau atom aksetor. Baha semikoduktor yag sudah megalami egotora, oleh atom door sehigga mejadi tie, da oleh atom aksetor sehigga mejadi tie-. Pembawa muata egatif yag bergerak dari sisi meuju sisi ada daerah sambuga semikoduktor -. Pembawa muata ositif yag bergerak dari sisi meuju sisi ada daerah sambuga semikoduktor -. Zat adat yag struktur atomya memiliki keteratura dega jagkaua yag edek. Cotoh: baha lastik, baha kaca, dsb. Zat adat yag struktur atomya memiliki jagkaua keteratura yag ajag. Cotoh NaCl, siliko, germaium dsb. Catata: struktur atom siliko ada dua macam, yaitu amorf da kristal. Komoe eyearah arus listrik yag dibuat berdasarka sambuga - semikoduktor. Modul.FIS.5 Semikoduktor x

11 BAB I. PENDAHULUAN A. Deskrisi Dalam modul ii elajara aka dimulai dega bahasa kose baha semikoduktor, semikoduktor itrisik yag dalam embahasaya memerluka beberaa egetahua dasar terutama matematika da mekaika atara lai gerak, gaya, keceata, erceata, eergi, da kelistrika (arus searah da arus bolak-balik), da modul lai yag berkaita. Agar tidak megalami kesulita dalam erhituga serta emecaha masalah dalam eeraaya, erlu diawali dega megigat kembali beberaa modul lai yag berkaita. Pembahasa dilajutka dega fokus ada ejelasa kose semikoduktor ekstrisik (tie- da tie-), yag berkaita dega kosetrasi embawa muataya da ejelasa lai yag berkaita dega betuk sambuga - ada baha semikoduktor da roses difusi elektro da hole ada daerah sambuga. Juga dijelaska diakhir modul tetag beberaa cotoh alikasi sambuga - semikoduktor dalam kehidua sehari-hari. Da utuk lebih memerdalam emahama kose keada ara eserta diklat, maka dalam modul ii juga dilegkai dega soal-soal yag berkaita dega ejelasa kose, soal-soal yag berkaita dega erhituga, da lagkah ercobaa sederhaa utuk medukug emahama terhada kose semikoduktor. B. Prasyarat Agar daat memelajari modul ii dega baik, ada harus memahami kose mekaika seerti gerak, keceata, gaya, eergi, gelombag, da kelistrika (arus searah da arus bolak-balik). Ada juga harus daat megoerasika ersamaa deferesial da itegral utuk Modul.FIS.5 Semikoduktor 1

12 lebih memahami kose eurua erumusa matematis dalam eyelesaia ersoala fisisya. Ada juga harus melakuka ercobaaercobaa sederhaa dega teliti utuk meemuka kose yag bear. C. Petujuk Pegguaa Modul a b c d e f Pelajari daftar isi serta keduduka modul dega cermat da teliti, karea dalam skema modul aka amak keduduka modul yag sedag ada elajari ii diatara modul modul yag lai. Perhatika lagkah-lagkah dalam melakuka emahama kose dega bear serta roses eemua hubuga atar kose yag daat meambah wawasa sehigga medaatka hasil yag otimal. Pahami setia kose dasar edukug modul ii misalya, matematika da mekaika. Jawablah tes formatif dega jawaba yag sigkat jelas da teat da kerjaka sesuai dega kemamua ada setelah memelajari modul ii. Bila dalam megerjaka tugas/soal ada meemuka kesulita, kosultasika dega kosulta /istruktur yag ditujuk. Setia kesulita catatlah utuk dibahas dalam saat kegiata tata muka. Utuk lebih meambah wawasa diharaka membaca referesi lai yag berhubuga dega materi dalam modul ii. D. Tujua Akhir Setelah memelajari modul ii diharaka ada daat: Medefiisika egertia semikoduktor itrisik da ekstrisik. Mejelaska erbedaa semikoduktor itrisik da semikoduktor ekstrisik. Mejelaska erbedaa semikoduktor tie- da tie-. Modul.FIS.5 Semikoduktor

13 Meetuka besar kosetrasi muata embawa, elektro () da hole () ada semikoduktor itrisik da semikoduktor ekstrisik. Mejelaska egaruh atom egotor (aksetor da door) ada semikoduktor itrisik. Mejelaska kose sambuga ada semikoduktor tie- da tie-. Mejelaska roses difusi elektro da hole ada daerah sambuga -. Mejelaska koduktivitas ada baha semikoduktor. Mejelaska da megguaka kose efek Hall dalam meetuka jeis baha semikoduktor ekstrisik, mobilitas listrik Hall, jumlah kosetrasi embawa muata ( da ), juga dalam meetuka lebar eergi ga ada baha semikoduktor. Modul.FIS.5 Semikoduktor 3

14 E. Kometesi Kometesi : MEMAHAMI KONSEP SEMIKONDUKTOR Program Keahlia : Program Adatif Mata Diklat-Kode : FISIKA-FIS.5 Durasi Pembelajara : meit SUB KOMPETENSI Memahami kose semikoduktor KRITERIA UNJUK KINERJA Memahami kose semikoduktor LINGKUP MATERI POKOK PEMBELAJARAN BELAJAR SIKAP PENGETAHUAN KETERAMPILAN Cermat dalam Pegertia memahami semikoduktor kose Cara kerja semikoduktor semikoduktor Baha semikoduktor itrisik Semikoduktor tie da Prisi kerja semikoduktor Daat meetuka baha semikoduktor itrisik, tie atau tie. Modul.FIS.5 Semikoduktor 4

15 F. Cek Kemamua Kerjakalah soal-soal berikut ii, jika ada daat megerjaka sebagia atau semua soal berikut ii, maka ada daat memita lagsug keada istruktur atau guru utuk megerjaka soal-soal evaluasi utuk materi yag telah ada kuasai ada BAB III. 1. Defiisika egertia semikoduktor.. Jelaska aa yag ada ketahui tetag semikoduktor itrisik da semikoduktor ekstrisik. 3. Jelaska aa yag ada ketahui tetag semikoduktor tie- da semikoduktor tie-, aa risi erbedaa diatara keduaya. 4. Jelaska bagaimaa megeali baha semikoduktor tie-. 5. Jelaska bagaimaa megeali baha semikoduktor tie-. 6. Jelaska aa yag berera dalam eghatara arus listrik ada baha semikoduktor. 7. Jelaska megaa ada suhu tiggi semikoduktor bersifat sebagai koduktor da ada suhu redah bersifat sebagai isolator. 8. Sebutka da jelaska beberaa cotoh egguaa semikoduktor dalam kehidua sehari-hari (miimal cotoh). 9. Aa yag saudara ketahui tetag: ita valesi, ita koduksi, eergi ga, atom door, da atom aksetor. Jelaska. 10. Tuliska ersamaa yag meyataka raat keadaa efektif utuk ita valesi (N v ) da ita koduksi (N C ). 11. Tuliska ersamaa yag meyataka raat elektro () atau raat hole () masig-masig ada ita koduksi da ita valesi. 1. Tuliska ersamaa yag meyataka hubuga atara raat embawa muata itrisik terhada N v, N C da eergi ga E g. Modul.FIS.5 Semikoduktor 5

16 BAB II. PEMBELAJARAN A. Recaa Belajar Peserta Diklat Kometesi Sub Kometesi : Semikoduktor : 1. Memahami kose semikoduktor itrisik. Memahami kose semikoduktor ekstrisik 3. Memahami kose sambuga - Tulislah semua jeis kegiata yag ada lakuka di dalam tabel kegiata di bawah ii. Jika ada erubaha dari recaa semula, berilah alasaya kemudia mitalah tada taga keada guru atau istruktur ada. Jeis Kegiata Taggal Waktu Temat Belajar Alasa Perubaha Tada Taga Guru Modul.FIS.5 Semikoduktor 6

17 B. Kegiata Pembelajara 1. Kegiata Pembelajara 1 a. Tujua Kegiata embelajara Setelah memelajari kegiata belajar I, diharaka ada daat: Medefiisika egertia semikoduktor Mejelaska karakteristik semikoduktor itrisik da semikoduktor ekstrisik. Megetahui kose atom door da atom aksetor. Megetahui karakteristik semikoduktor tie- da semikoduktor tie. Mamu meghitug raat keadaa efektif ada ita koduksi da ita valesi. Mamu meghitug raat embawa muata (elektro da hole ) ada ita koduksi da ita valesi. Mejelaska da megidetifikasi jeis baha semikoduktor (tie- atau tie-). Mejelaska da memberi cotoh-cotoh sederhaa egguaa baha semikoduktor dalam kehidua sehari-hari. b. Uraia materi 1) Struktur Kristal Dalam embahasa semikoduktor, kita tidak leas dega embicaraa utama megeai baha adat. Baha adat ada dasarya adalah tersusu atas atom-atom, io-io, atau molekul-molekul yag letakya berdekata da tersusu teratur membetuk suatu struktur tertetu (struktur kristal). Perbedaa sifat ada zat adat (misal: koduktor, isolator, semikoduktor atau suerkoduktor) disebabka oleh Modul.FIS.5 Semikoduktor 7

18 erbedaa gaya ikat diatara atom-atom, io-io, atau molekul-molekul tersebut. Semua ikata dalam baha adat melibatka gaya listrik, da erbedaa utama diatara ikata tersebut tergatug ada jumlah elektro terluar. Berdasarka struktur artikel (atom, io, atau molekul) eyusuya, baha adat dibagi mejadi dua jeis yaitu baha adat kristal da baha adat amorf. Baha adat kristal adalah baha adat yag struktur artikel eyusuya memiliki keteratura ajag da berulag secara eriodik. Baha adat amorf adalah baha adat yag struktur artikel eyusuya memiliki keteratura yag edek. Khusus utuk baha semikoduktor ada dua jeis, yaki yag berstruktur kristal (misal: Silico, Germaium, Gallium Arseid, dsb.). da berstruktur amorf (misal: Amorhous silico). z y +4 (a) x (b) (c) Gambar 1. Struktur kristal Si (Siliko) (a) Struktur kristal diamod (b) Ikata tetrahedro (c) Ikata tetrahedro dimesi Baha semikoduktor siliko adalah baha semikoduktor yag alig melimah tersedia di bumi, yag terbuat dari baha dasar silika. Da saat ii telah dikembagka dega esat idustri semikoduktor silico, da telah mejadi ioer egembaga tekologi tiggi (hightechology), disamig semikoduktor berbasis siliko, masih bayak lagi baha lai seerti germaium (Ge), galium arseida (GaAs) atau baha Modul.FIS.5 Semikoduktor 8

19 adua lai (lihat ada Tabel 1) yag juga memuyai sifat otik da listrik yag uggul. Tabel 1. Baha semikoduktor Usur Si Ge Padua IV-IV SiC Padua III-V AlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb IAs IP ISb Padua II-VI CdS CdSe CdTe ZS ZSe ZTe Padua IV-VI PbS PbTe ) Ikata Valesi Pada struktur kristal semikoduktor siliko da germaium, ada umumya terjadi ikata kovale, sehigga kadag disebut kristal kovale. Kristal kovale adalah kristal yag terbetuk berdasarka ikata kovale, dimaa terjadi emakaia bersama elektro-elektro da atom-atom eyusuya, (lihat gambar 1(b) da (c), atom siliko berikata dega 4 atom siliko laiya yag ada didekaya, karea elektro terluar dari atom siliko ada emat Siliko (Si) Gambar. Ikata kovale ada semikoduktor Si Modul.FIS.5 Semikoduktor 9

20 3) Pita Eergi Beragkat dari teori atom, diyataka bahwa atom terdiri dari iti atom da elektro-elektro yag megeliligi iti atom, elektro berada ada kulit-kulit atom berdasarka tigkat-tigkat eergi tertetu. Semaki jauh dari iti kulit atom yag ditemati oleh elektro, maka eergi ikat lektro semaki besar, da sebalikya. Tigkat-tigkat eergi ada kristal daat seerti atom tuggal (lihat gambar 3). Iteraksi atar atom ada kristal haya terjadi ada elektro dikulit terluar (elektro valesi). Berdasarka azas Paulli, ada suatu tigkat eergi tidak boleh terdaat lebih dari satu elektro ada keadaa yag sama. Jadi aabila terdaat lebih dari satu elektro ada keadaa yag sama,aka terjadi ergesera tigkat eergi, sehigga tidak erah terjadi tigkat-tigkat eergi yag bertidiha. Pita eergi adalah kumula garis ada tigkat eergi yag sama aka salig berhimit. Tigkat eergi elektro kulit terluar Pita eergi Eergi bertambah Tigkat eergi elektro kulit dalam (a) atom tuggal (b) kristal Gambar 3. Tigkat eergi ada atom tuggal da ita eergi ada kristal Peetua ita eergi secara rici dibicaraka di fisika kuatum, amu secara sederhaa, aka ditujuka sebagai cotoh eetua struktur ita eergi ada baha adat kristal. Pada gambar 4 daat dilihat ilustrasi struktur ita eergi utuk kristal isolator, kristal semikoduktor, Modul.FIS.5 Semikoduktor 10

21 da kristal isolator. Dimaa ada keadaa kesetimbaga (equilibrium), ita eergi terslit mejadi dua bagia da diisahka oleh daerah dimaa elektro tidak bisa bergerak atau beroerasi, daerah ii disebut daerah terlarag (=forbidde ga atau bad ga). Pita atas diamaka ita koduksi, da ita bagia bawah diamaka ita valesi. elektro Pita koduksi Pita koduksi Pita kodiksi Eg ~ 9 ev Terisi sebagia Eg ~ 1 ev Pita valesi Pita valesi hole (a) (b) (c) Pita koduksi Pita valesi Gambar 4. Struktur ita eergi utuk: (a) baha isolator, (b) baha semikoduktor, da (c) baha isolator Isolator memiliki struktur ita eergi seerti ada gambar 4 (a), dimaa ita koduksiya tidak terisi oleh elektro (kosog), sedag ada ita valesiya terisi euh oleh elektro, da celah eergiya cuku besar ~ 9 ev, sehigga baha isolator tidak bisa meghatarka listrik. Da agar elektro dari ita valesi utuk bisa idah ke ita koduksi dibutuhka eergi eksteral > 9 ev. Semikoduktor memiliki struktur ita eergi seerti ditujukka ada gambar 4(b), dimaa sebagia dari elektro ada ita valesi idah meuju ita koduksi, sehigga meiggalka hole ada ita valesi. Kemudaha elektro idah meuju ita koduksi ii dikareaka eergi ga-ya kecil. Koduktor memiliki struktur kristal seerti ditujukka ada gambar 4 (c), dimaa ita koduksiya terisi sebagia oleh elektro, da tidak ada celah eergi atara ita valesi da ita koduksi, sehigga elektro-elektro ada ita valesi sagat mudah utuk idah meuju ita koduksi. Hal iilah yag Modul.FIS.5 Semikoduktor 11

22 meyebabka baha koduktor sagat mudah utuk meghatarka listrik. Sebagai gambara besarya eergi ikat elektro ada kulit atom, telah dirumuska oleh model atom Bohr: sebagai atom tijaua adalah atom hidroge, dimaa eergi ikat tersebut berbadig terbalik dega kuadrat bilaga kuatum yag meujuka omor kulit litasa elektro, da secara matematis diyataka sebagai berikut: 4 moe 13,6 ev (1) 8 h E o Dimaa, m o : massa elektro bebas (= 0,91 x kg) e : muata elektro (= 1,6 x C) h : kostata lak (= 6,6 x J.s) e o : ermitivitas ada ruag vakum (= 8,85 x 10-1 F/m) : 1,, 3, (= omor kulit atom) Berdasarka tigkat kemuria baha-ya baha semikoduktor, dibedaka mejadi, yaki semikoduktor itrisik (yag belum megalami egotora), semikoduktor ekstrisik (yag sudah megalami egotora). 4) Semikoduktor Itrisik Semikoduktor itrisik adalah semikoduktor yag belum megalami egotora atau iyisia oleh atom aksetor atau atom door. Pada suhu tiggi elektro ada ita valesi daat beridah meuju ita koduksi, dega mecitaka hole ada ita valesi. Da yag berera dalam eghatara listrik ada semikoduktor adalah elektro da hole, iilah erbedaa risi atara baha koduktor dega baha semikoduktor. Raat keadaa eergi yag diizika dimiliki oleh elektro yag bergerak ada semikoduktor itrisik adalah: Modul.FIS.5 Semikoduktor 1

23 3 / m N E 4 E h () Kosetrasi embawa muata ada semikoduktor itrisik adalah elektro () da hole (), da daat dituruka dega megguaka distribusi fermi dirac, da secara sederhaa daat dieroleh sebagai berikut: a. Raat embawa muata elektro (): EC EF NC ex (3a) kt atau, EF Ei i ex (3b) kt dega, m kt N C (4) h Dimaa, N C adalah raat keadaa efektif ada ita koduksi, ada temeratur ruag (300 K) utuk siliko (Si) N C =,8 x cm -3 da utuk galium arseide (GaAs) N C = 4,7 x cm -3. k adalah kostata boltzma (=1,38 x 10-3 J/K), T adalah temeratur mutlak (kelvi), m = massa efektif elektro, E c = tigkat eergi koduksi da E F adalah tigkat eergi fermi. Igat bahwa elektro berada ada ita koduksi. Modul.FIS.5 Semikoduktor 13

24 b. Raat embawa muata hole (): EF EV NV ex (5a) kt atau, Ei EF i ex (5b) kt dega, m kt N V (6) h Dimaa, N V adalah raat keadaa efektif ada ita valesi, ada temeratur ruag (300 K) utuk siliko (Si) N C = 1,04 x cm -3 da utuk galium arseida (GaAs) N C = 7,0 x cm -3. m = massa efektif hole da E v = tigkat eergi valesi. Utuk baha semikoduktor itrisik memiliki kekhususa megeai jumlah raat embawa muata elektro () da hole (), yaitu bahwa: jumlah elektro ersatua volume ada ita koduksi () = jumlah hole ersatua volume ada ita valesi (P). Da selajutya jumlah embawa muata ersatua volume ada semikoduktor itrisik (itrisic carrier desity) i, diyataka: i atau i (7) da E g i NC NV ex (8) kt Dimaa, E g = (E C E V ), da ersamaa (7) dikeal dega hukum aksi massa yag berlaku utuk baha semikoduktor itrisik mauu Modul.FIS.5 Semikoduktor 14

25 ekstrisik ada temeratur equilibrium. Hubuga atara eergi level fermi E F dega eergi level koduksi E C da eergi level valesi E V, diberika sebagai berikut: E F E i E E C C E E V V kt 3kT 4 N l N m m V C (9) 5) Semikoduktor Ekstrisik Semikoduktor ekstrisik adalah semikoduktor yag telah megalami egotora atau iyisia oleh atom aksetor atau atom door. Pegotora ada umumya dilakuka dalam ragka utuk meigkatka koduktivitas listrikya. Tidak semua atom daat diguaka sebagai atom aksetor atau atom door, ada beberaa ersyarata: (1) memuyai ukura atom yag hamir sama dega atom muri (semikoduktor itrisik yag aka didoig), sehigga daat masuk da tidak merusak struktur kristal atom muri, () memiliki jumlah elektro valesi berbeda satu dega atom muri. Berdasarka jumlah elektro valesi atom egotor ii, maka atom egotor dibedaka mejadi dua, yaitu: atom door da atom aksetor. Da berkaita dega hal tersebut semikoduktor ekstrisik juga dibedaka mejadi dua, yaki: semikoduktor tie- da semikoduktor tie-. Kosetrasi embawa muata ada semikoduktor ekstrisik adalah elektro () da hole (), da daat seerti ada ersamaa (5) da (6), sehigga: a. Raat embawa muata elektro (): EF Ei i ex (10) kt b. Raat embawa muata hole (): Ei EF i ex (11) kt Modul.FIS.5 Semikoduktor 15

26 dimaa: E F : tigkat eergi fermi, E i : tigkat eergi itrisik = E E C i : kosetrasi embawa itrisik (cm -3 ). V Pada semikoduktor ekstrisik juga berlaku hubuga: i, dega edekata sebagai berikut: a. Utuk semikoduktor tie-: semikoduktor itrisik yag dikotori dega atom door (jumlah elektro valesiya 5). Igat atom siliko (si) atau germaium (Ge) elektro valesiya 4. Da berlaku: ND (jumlah elektro hamir sama dega jumlah elektro atom door). b. Utuk semikoduktor tie-: semikoduktor itrisik yag dikotori dega atom aksetor (jumlah elektro valesiya 3). Igat atom siliko (si) atau germaium (Ge) elektro valesiya 4. Da berlaku: N A (jumlah hole hamir sama dega jumlah hole atom aksetor). 6) Door da Aksetor Ketika semikoduktor muri (itrisik) dikotori dega memberika doig atom lai, dega elektro valesi lebih bayak satu atau kurag satu dari elektro valesi atom semikoduktor itrisik, maka semikoduktor tersebut kemudia mejadi semikoduktor ekstrisik. Ketetua bagi atom edoig adalah sebagai berikut: a. Atom Door adalah atom egotor yag memberika kotribusi jumlah elektro berlebih (jumlah elektroya lebih bayak satu dari atom muri). Cotoh semikoduktor itrisik siliko(si) didoig dega arseic (As) (lihat gambar 5). Modul.FIS.5 Semikoduktor 16

27 elektro koduksi(-q) arseik (As) Siliko (Si) Gambar 5. Siliko tie-, dega door (arseik) b. Atom Aksetor: adalah atom egotor yag memberika kotribusi jumlah hole berlebih (jumlah elektroya lebih sedikit satu dari atom muri). Cotoh semikoduktor itrisik siliko(si) didoig dega boro (B) (lihat gambar 6) hole (+q) boro (B) Siliko (Si) Gambar 6. Siliko tie-, dega door (boro) Adau level eergi door E D (= eergi ioisasi door) daat dikaitka dega besara eergi ikat elektro ada kulit atom hidroge, ersamaa (1), dega hubuga sebagai berikut: o m E D s m o EH (1) Da berlaku hubuga level fermi: N V E F EV kt l (13) ND Modul.FIS.5 Semikoduktor 17

28 7) Hatara Listrik Semikoduktor Gejala eghatara listrik umumya secara fisis adalah arus listrik yag daat diukur dega amermeter. Pada baha logam yag berera dalam eghatara listrik adalah elektro yag bergerak bebas ada ita koduksi. Berbeda dega baha semikoduktor, yag berera dalam eghatara listrik adalah elektro di ita koduksi da hole di ita valesi. Berdasarka mekaisme alira embawa (elektro da hole), daat dibedaka mejadi dua jeis arus dalam semikoduktor: arus drift da arus difusi, yag masig-masig melibatka elektro da hole. Hal ii berbeda dega logam yag haya ada arus drift saja. a. Arus Drift berikut ii: Alira arus drift daat dijelaska sebagai berikut, lihat gambar 7 J v J A = luas eamag v.t Gambar 7. Alira elektro dega keceata v dalam baha dega eamag A tegak lurus dega arah gerak elektro Jika elektro bergerak dega keceata rata-rata v (= keceata hayut = keceata drift), da raat embawa muata elektro adalah dalam ruag aliraya, raat arus (arus ersatua luas eamag) adalah: (v = - µ ) J e v e (A/m ) (13) Modul.FIS.5 Semikoduktor 18

29 Dega cara yag sama arus drift oleh hole, jika raat embawa hole adalah dalam ruag aliraya, raat arus drift oleh hole adalah: (v = - µ ). J e v e (A/m ) (14) Sehigga raat arus drift total: J = s, dega s adalah kodukti- vitas listrik (O-m) da adalah kuat meda listrik, µ da µ masig-masig adalah mobilitas elektro da hole, adalah: e (15) ersamaa (15) meujuka koduktivitas total yag dimiliki oleh baha semikoduktor. Mobilitas elektro da hole daat dituruka berdasarka teori elektro bebas, da dieroleh: e e e da (16) m m Dimaa, da N masig-masig adalah waktu relaksasi. Da harga mobilitas bergatug ada jeis baha semikoduktor. Tabel. Mobilitas embawa ada temeratur kamar Jeis kristal Mobilitas dalam satua cm /V.s semikoduktor Elektro (µ ) Hole (µ ) Si Ge ISb IPs IP GaSb Modul.FIS.5 Semikoduktor 19

30 b. Arus Difusi Arus difusi ada baha semikoduktor terjadi karea adaya alira elektro atau hole dari kosetrasi tiggi meuju kosetrarsi redah. Arus yag disebabka karea adaya roses alira semacam ii disebut arus difusi. Hubuga atara distribusi embawa da terhada arah arus difusi ditujukka ada gambar 8. Da secara matematis dari uraia tersebut, daat diyataka bahwa raat arus da gradie kosetrasi berbetuk liier, yaitu: d J e D da dx d J e D (17) dx (x) (x) d dx 0 d dx 0 J J x (a) (b) Gambar 8. (a) Distribusi elektro da arus difusi elektro (b) distribusi hole da arus difusi hole x Dimaa, D da D masig-masig adalah koefisie difusi elektro da hole, dega satua m /s. Jadi ada risiya arus total adalah meruaka jumlah dari arus drift da arus difusi yag meruaka kotribusi dari elektro da hole, amu secara raktis daat didekati bahwa: (a). utuk semikoduktor tie - Berlaku hubuga, utuk arus total: d J e e D (18) dx (b). utuk semikoduktor tie - Berlaku hubuga, utuk arus total: d J e e D (19) dx Modul.FIS.5 Semikoduktor 0

31 Koefisie difusi D disamig bergatug ada jeis embawa (elektro atau hole), juga bergatug ada jeis bahaya. Hal ii ditujukka oleh hubuga Eistie, sebagai berikut: D D kt e (0) 8) Sambuga - Semikoduktor Sambuga - semikoduktor daat dilakuka dega meyambugka semikoduktor tie- dega semikoduktor tie-. Semikoduktor tie- biasaya hole adalah mayoritas dibadigka dega elektro, begitu ula sebalikya ada semikoduktor tie- mayoritas adalah elektro dibadig hole. Jika semikoduktor tie- da tie- disambugka, maka elektro aka berdifusi meuju daerah tie-, da sebalikya hole aka berdifusi meuju daerah tie-, sehigga terbetuk daerah ersambuga. Pada daerah ersambuga ii terbebas dari muata mayoritas (disebut daerah egosoga), tetai terjadi diole muata sehigga timbul meda listrik da terjadi otesial halag (=beda otesial atara daerah da = built- i otetial). Lihat ilustrasi ada gambar 9. Tie- Tie- hole mayoritas elektro mayoritas (a) hole bergerak meuju daerah elektro bergerak meuju daerah daerah sambuga = daerah deflesi (b) Gambar 9. Pembetuka sambuga - Modul.FIS.5 Semikoduktor 1

32 Da besarya built-i otesial ada daerah sambuga, daat dirumuska sebagai berikut: kt N A ND V bi l (1) e i Proses alira arus ada sambuga (-) semikoduktor, diilustrasika ada gambar 10, berikut ii. Di maa total raat arus yag megalir baik oleh elektro mauu hole di daerah ersambuga ada temeratur equilibrium sama dega ol. Tie- Tie- hole mayoritas elektro mayoritas (a) semikoduktor tie da tie E C E V E F E F E C E V (b) tigkat eergi ada semikoduktor tie da tie daerah sambuga = daerah deflesi (c) Pembetuka daerah deflesi ada sambuga - Modul.FIS.5 Semikoduktor

33 Drift elektro Difusi elektro E F E C Difusi hole daerah deflesi Drift hole E V (d) arus difusi da drift oleh elektro da hole Gambar 10. Proses alira arus ada sambuga - 9) Efek Hall da Peeraaya z l w v v x A V H y x I + - V B = B Z z da E = E y y = elektro = hole Gambar 11. Efek Hall Prisi dari efek Hall daat diilustrasika seerti ada gambar 11. Tijau sebuah bataga baha yag megadug elektro-elektro bebas (logam mauu semikoduktor). Bataga tersebut diletakka dalam meda listik E da meda maget B yag salig tegak lurus. Akibatya elektro- Modul.FIS.5 Semikoduktor 3

34 elektro aka megalami gaya ee da bergerak ke arah sumbu -x dega keceata tertetu v. Bersamaa dega itu kehadira B aka memegaruhi elektro dega gaya evb ke arah sumbu -y, sehigga elektro-elektro terdorog ke sisi bawah batag, da meimbulka meda listrik E H dalam arah +y. roses ii aka terus berlagsug sehigga tercaai meda listrik yag mamu megimbagi gaya maget: ee H e VH B (1) Tegaga Hall yag bersagkuta V H ditetuka oleh: V H = E H. d = V H B d da dega megigat: J = e v = I/(l d), maka: B.I V H R H () l Dega R H didefiisika, meurut rumus (disebut koefisie Hall): 1 R H (3) e Dega memasukka faktor koreksi, maka rumus koefisie Hall di atas, daat ditulis dega hubuga: 3 1 R H (utuk elektro) 8 e (4) da 3 1 R H (utuk hole) 8 e (5) Peeraa Efek Hall: Efek Hall daat diguaka utuk: a. Meetuka tie baha semikoduktor ekstrisik b. Meetuka besar kosetrasi embawa ( da ) Modul.FIS.5 Semikoduktor 4

35 Dari data eguraia efek Hall, dieroleh arameter: l, B, V H da I, maka da daat dihitug dega megguaka ersamaa (4) da ersamaa (5): 8e 8e ( R H ) elektro da (R H ) hole (6) 3 3 c. Meetuka mobilitas atau koduktivitas baha Dari ersamaa koduktivitas: e, yag selajutya utuk tie tertetu dari baha semikoduktor ( atau ), haya diguaka ersamaa: e atau e, sedagka mobilitas dihitug dari resistivitas, 1, da dalam meetuka daat dilakuka dega egukura dega metode V emat elektroda (ola Werer), sehigga: = 4 S, sehigga I mobilitas Hall daat dihitug dega: 1 R H (7) A I V S Baha semikoduktor Gambar 1. egukura resistivitas Modul.FIS.5 Semikoduktor 5

36 d. Meetuka celah eergi E g Beragkat dari hubuga kosetrasi embawa, ersamaa (8) daat dituliska dalam betuk: Eg 1 1 L () L N VNC (8) kt T Dari ersamaa tersebut tamak jelas bahwa: E g adalah gradie kurva L() terhada T 1, dalam daerah tak muria (lihat gambar 13). L() Daerah tak muria Daerah aus Daerah itrisik 1/T Gambar 13. Perubaha L() kosetrasi fugsi (1/T) Cotoh soal: 1. Tijau GaAs yag didoig dega Te atom/cm 3. tetuka kosetrasi embawa da tigkat eergi fermi ada temeratur ruag. Peyelesaa: Baha semikoduktor Si didoig dega Te, maka semikoduktor Si mejadi semikoduktor tie-, GaAs sebagai atom door, maka: N D = 1 x10 16 atom/cm 3 (kosetrasi elektro) i = 1,79 x 10 6 atom/cm 3 (GaAs: ada T = 300 K) N C = 4,7 x atom/cm 3 (GaAs: ada T = 300 K) N V = 7,0 x atom/cm 3 (GaAs: ada T = 300 K) Modul.FIS.5 Semikoduktor 6

37 Dega megguaka ersamaa (7): i N i D 3, , ,0 10 atom / cm 16 3 (kosetrasi hole) Guaka ersamaa (3a) da (3b), sehigga: Fermi level dari batas bawah ita koduksi: E C E F N kt l N C D 3 4,7 10 (1,38 10 J / K ) (300K)l 1,0 10 0,059eV l 47 0,100eV Fermi level level itrisik: E F E i N kt l D i 3 1,0 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 1, ,059eV l 5, ,581eV Tetuka kosetrasi elektro da hole da tigkat eergi fermi sebuah semikoduktor siliko ada temeratur 300 K, jika didoig: (a) Baro 1 x atom /cm 3 da (b) boro 3 x atom/cm 3, da (c) arseik,9 x atom/cm 3. Peyelesaa: (a). Semikoduktor Si didoig atom Boro: 1 x atom/cm 3 sehigga semikoduktor Si mejadi tie-, da atom B sebagai atom aksetor, sehigga: N A = 1,0 x10 15 atom/cm 3 (kosetrasi hole) i = 1,45 x atom/cm 3 (Si: ada T = 300 K) N C =,8 x atom/cm 3 (Si: ada T = 300 K) Modul.FIS.5 Semikoduktor 7

38 N V = 1,04 x atom/cm 3 (Si: ada T = 300 K) N V = 1,04 x atom/cm 3 (Si: ada T = 300 K) Dega megguaka ersamaa (7): i,1 10 i N 5 A 10 1, ,0 10 atom / cm 3 15 (kosetrasi elektro) Guaka ersamaa (5a) da (5b), sehigga: Fermi level dari atas ita valesi: E F E V N kt l N V A 3 1,04 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 1,0 10 0,059eV l ,40 ev Fermi level level itrisik: E i E F N kt l A i 3 1,0 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 1, ,059eV l 68965,5 0,89eV (b). Semikoduktor Si didoig atom Boro: 3 x atom/cm 3 sehigga semikoduktor Si mejadi tie-, da atom B sebagai atom aksetor, sehigga: N A = 3,0 x10 16 atom/cm 3 (kosetrasi hole) Dega megguaka ersamaa (7): i 7,0 10 i N A , ,0 10 atom / cm 3 16 (kosetrasi elektro) Modul.FIS.5 Semikoduktor 8

39 Guaka ersamaa (5a) da (5b), sehigga: Fermi level dari atas ita valesi: E F E V N kt l N V A 3 1,04 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 3,0 10 0,059eV l 346,67 0,151eV Fermi level level fermi itrisik: E i E F N kt l A i 3 3,0 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 1, ,059eV l ,517 0,377 ev (c). Semikoduktor Si didoig atom Arseik:,9 x atom/cm 3 sehigga semikoduktor Si mejadi tie-, da atom As sebagai atom door, sehigga: N D =,9 x10 16 atom/cm 3 (kosetrasi elektro) Dega megguaka ersamaa (7): i N i D 7, ,45 10,9 10 atom / cm 3 16 (kosetrasi hole) Guaka ersamaa (3a) da (3b), sehigga: Fermi level dari batas bawah ita koduksi: E C E F N kt l N C D 3,8 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l,9 10 0,059eV l 965,517 0,178eV Modul.FIS.5 Semikoduktor 9

40 Fermi level itrisik: E F E i N kt l D i 3,9 10 (1,38 10 J /K ) (300K) l 1, ,059eV l 10 0,376 ev Tetuka resistivitas ada temeratur ruag sebuah semikoduktor tie- yag didoig dega osfor atom/cm 3. Peyelesaia: Pada temeratur kamar, agga semua door terioisasi, sehigga: N D = 1,0 x10 16 atom/cm 3 (kosetrasi elektro) Da karea mayoritas kosetrasi embawa adalah elektro, maka kotribusi hole daat diabaika, sehigga: Resistivitas : 1 e 1, e N 19 D ,48 O cm Catata: mobilitas kosetrasi embawa utuk semikoduktor siliko dega atom egotor N D ~ atom/cm 3 adalah 1300 cm/v.s. 4. Tijau sebuah samel Si yag didoig dega atom oshor x atom/cm 3. Tetuka koefisie Hall da tegaga Hall didalam samel, jika arameter samel adalah: l = 500 µ m, A =,5 x 10-3 cm, I = 1 ma da B = 10-4 Wb/cm. Modul.FIS.5 Semikoduktor 30

41 Peyelesaia: Guaka rumus: koefisie Hall R Da tegaga Hall: H 1 e 1, ,5 cm 1 en 19 3 D 1,0 10 / C 16 V H y l R H I A B ,5.,5 10 0,65mV Z l Samel semikoduktor siliko (Si) dega jeis doig belum diketahui, jika dilakuka egukura efek Hall da dieroleh iformasi: l = 0,05 cm, A = 1,6 x10-3 cm, I =,5 A, B = 30 T (1 T = 10 4 Wb/cm ) da V = +10 Volt. Catata: ada T = 300 K, i = 1,45 x atom/cm 3. Tetuka: (a) koefisie Hall, (b) tie koduktivitas, (c) embawa mayoritas, (d) resistivitas, da (e) mobilitas samel semikoduktor. Peyelesaia: (a) koefisie Hall: R VH A I B l, , H , cm / C (b) tie koduktivitas: 1 19 e RH 1,6 10 1, ,7 10 atom / cm 3 10 Modul.FIS.5 Semikoduktor 31

42 da, 10 i 1, , ,44 10 atom / cm 3 Karea jumlah kosetrasi embawa, yaki elektro lebih besar dari hole,maka tie koduktivitasya adalah tie-. (c) embawa mayoritas adalah elektro: 1,44 x 10 1 atom/cm (d) resistivitas: 1, 10 (O cm) (e) mobilitas: 1 e 1 1, cm 1,44 10 / V.s 1 1, Tetuka resistivitas dari semikoduktor itrisik: (a) siliko (Si), da (b) Gallium Arseida (GaAs) ada temeratur kamar. Catata: ada temeratur kamar (T = 300 K) µ µ i Siliko (Si) ,45x10 10 Gallium Arseida (GaAs) ,79 x 10 6 Modul.FIS.5 Semikoduktor 3

43 Peyelesaia: (a) Utuk semikoduktor itrisik Si, ada temeratur kamar (T=300 K), maka berlaku: = = i = 1,45 x atom/cm 3. Koduktivitas: 1,6 P e 4, da resistivitasya: (O cm) 1 1, ,69 10 O 6 4, cm (b) Utuk semikoduktor itrisik GaAs, ada temeratur kamar (T=300 K), maka berlaku: = = i = 1,79 x 10 6 atom/cm 3. Koduktivitas: 1,6 P e, da resistivitasya: (O cm) 1 1, ,93 10 O cm 9, Tetuka:,, koduktivitas s da resistivitas dari samel semikoduktor siliko ada temeratur kamar, jika didoig dega atom: (a) Boro 5 x atom/cm 3, (b) Arseik 1,5 x atom/cm 3, da (c) Gallium atom/cm 3. (mobilitas kosetrasi embawa karea doig atom door masig-masig adalah µ = 450 boro 5 x10 15 cm -3, µ = 1300 arseik 1,5 x10 16, da µ = 50 Gallium cm -3 ). Modul.FIS.5 Semikoduktor 33

44 Peyelesaia: (a) utuk atom doig boro (B): N A = 5 x10 15 atom/cm 3 i N i A 4, , atom / cm 3, da NA Mobilitas µ = 450 (atom doig boro 5 x10 15 cm -3 ) Koduktivitasya: e 1, e N A 0,36(O cm) Resistivitas: 1 1 0,36,78 O cm (b) utuk atom doig Arseik (As): N D = 1,5 x10 16 atom/cm 3 i N i D 1, Mobilitas µ = , ,5 10 atom / cm 16 3, da ND (atom doig arseik 1,5 x10 15 cm -3 ) Koduktivitasya: e 1, e N D 3,1(O cm) 1, Resistivitas: 1 1 3,1 0,30 O cm (c) utuk atom doig gallium (Ga): N A = 1 x10 17 atom/cm 3 i N i A, , Modul.FIS.5 Semikoduktor atom / cm 3, da NA Mobilitas µ = 50 (atom doig gallium 1 x10 17 cm -3 ) Koduktivitasya:

45 e 1, e N 4,0 (O cm) A Resistivitas: 1 1 4,0 0,5 O cm 8. Hitug built-i otetial utuk sambuga - semikoduktor siliko dega N A = cm -3 da N D = cm -3 ada temeratur kamar (300K). Peyelesaia: Guaka ersamaa (1), sehigga: V bi kt NA N l e i 1,38 10 J /K 19 1,6 10 0,059 ev l 4,76 0,756 ev 3 D K l C (1, ) c. Ragkuma Berdasarka struktur artikel (atom, io, atau molekul) eyusuya, baha adat dibagi mejadi dua jeis yaitu baha adat kristal da baha adat amorf. Baha adat kristal adalah baha adat yag struktur artikel eyusuya memiliki keteratura ajag da berulag secara eriodik. Baha adat amorf adalah baha adat yag struktur artikel eyusuya memiliki keteratura yag edek. Kristal kovale adalah kristal yag terbetuk berdasarka ikata kovale, dimaa terjadi emakaia bersama elektro-elektro da atom-atom eyusuya. Modul.FIS.5 Semikoduktor 35

46 Pita eergi adalah kumula garis ada tigkat eergi yag sama aka salig berhimit. Berdasarka tigkat kemuria bahaya baha semikoduktor, dibedaka mejadi, yaki semikoduktor itrisik da semikoduktor ekstrisik. Semikoduktor itrisik adalah semikoduktor yag belum megalami egotora atau eyisia oleh atom aksetor atau atom door. Semikoduktor ekstrisik adalah semikoduktor yag telah megalami egotora atau iyisia oleh atom aksetor atau atom door, sehigga mejadi semikoduktor tie- atau semikoduktor tie-. Atom Door: adalah atom egotor yag memberika kotribusi jumlah elektro berlebih (jumlah elektroya lebih bayak satu dari atom muri). Cotoh semikoduktor itrisik siliko(si) didoig dega arseic (As). Atom Aksetor: adalah atom egotor yag memberika kotribusi jumlah hole berlebih (jumlah elektroya lebih sedikit satu dari atom muri). Cotoh semikoduktor itrisik siliko(si) didoig dega boro (B). Berdasarka mekaisme alira embawa (elektro da hole), daat dibedaka mejadi dua jeis arus dalam semikoduktor: arus drift da arus difusi. Raat arus Drift: J e v e & J e v e d Raat arus Difusi: J e D da J dx e D Secara raktis daat dilakuka edekata: (a). utuk semikoduktor tie - Berlaku hubuga, utuk arus total: J e e D d dx d dx Modul.FIS.5 Semikoduktor 36

47 (b). utuk semikoduktor tie - Berlaku hubuga, utuk arus total: J e e D d dx Da besarya otesbuilt-i otesial ada daerah sambuga, daat dirumuska sebagai berikut: V bi kt NA N l e i D d. Tugas Jelaska aakah koduktivitas listrik diegaruhi oleh temeratur. 1. Jelaska aa yag berfugsi sebagai embawa muata ada semikoduktor tie-, tie- da semikoduktor itrisik.. Jelaska bagaimaa caraya membuat baha semikoduktor itrisik mejadi baha semikoduktor tie- da semikoduktor tie-, sebutka ersyarata utamaya. 3. Jelaska aa yag saudara ketahui tetag ita terlarag (bad ga), da aakah semua jeis baha uya bad ga da sebutka erbedaa risiya. 4. Jelaska aa erbedaa risi takmuria door da takmuria aksetor, aa erbedaa risi semikoduktor tie- da semikoduktor tie-. 5. Jelaska aa erbedaa embawa mayoritas da embawa mioritas ada semikoduktor tie- da semikoduktor tie-. 6. Jelaska aa yag saudara ketahui tetag: tigkat eergi fermi, tigkat eergi door, eergi koduksi, da eergi valesi, jika erlu legkai dega gambar. 7. Jelaska faktor aa saja yag memegaruhi koduktivitas, resistivitas da mobilitas listrik ada baha semikoduktor. Da Modul.FIS.5 Semikoduktor 37

48 sebutka dalam mekaisme hatara listrik aa yag berera utuk meghatarka, aa bedaya dega baha koduktor. 8. Aa yag saudara ketahui tetag: arus drift, arus difusi, waktu relaksasi, daerah deflesi, da built-i otetial. Jelaska. 9. Aa yag saudara ketahui tetag efek Hall, aa saja mafaat dari efek Hall sebutka. Jika dalam ercobaa Hall dieroleh data V H = 10 mv, l = 5 mm, I = 10 Amer, da B = 1 Tesla, beraa hambata Hall -ya. e. Tes Formatif 1. Tetuka koduktivitas s ada temeratur ruag sebuah semikoduktor tie- yag didoig dega arseida atom/cm 3. (catata: ada T=300K, µ = cm/v-s).. Sebutka aa saja mafaat dari egukura efek Hall sebutka. Jika dalam ercobaa Hall dieroleh data V H = -10 mv, l = 4 mm, A=,5 mm, I = 10 ma, da B = 10 Tesla, beraa hambata hallya. 3. Hitug built-i otetial utuk sambuga - semikoduktor siliko dega N A = 1,5 x10 19 cm -3 da N D = x10 16 cm -3 ada temeratur kamar (300K). 4. Tetuka:,, da koduktivitas s dari samel semikoduktor siliko ada temeratur kamar, jika didoig dega atom: (a) Boro 1,5 x atom/cm 3 (µ = 450), (b) Arseik 3,0 x atom/cm 3 (µ = 1300), da (c) Gallium x10 16 atom/cm 3 (µ = 50). 5. Tetuka koduktivitas s dari semikoduktor itrisik: (a) siliko (Si), da (b) Gallium Arseida (GaAs) ada temeratur kamar. Modul.FIS.5 Semikoduktor 38

49 Catata: ada temeratur kamar (T = 300 K) µ µ i Siliko (Si) ,45x10 10 Gallium Arseida (GaAs) ,79 x Tijau sebuah samel Si yag didoig dega atom boro 1, x atom/cm 3. Tetuka koefisie Hall da tegaga Hall didalam samel, jika arameter samel adalah: l = 50 µ m, A =,5 x 10-3 cm, I = 10 ma da B = 10-3 Wb/cm. 7. Tetuka kosetrasi elektro da hole da tigkat eergi fermi sebuah semikoduktor siliko ada temeratur 300 K, jika didoig: (a) boro 1,5 x atom/cm 3, da (c) arseik,5 x atom/cm 3. (catata: i =1,45 x10 10 cm -3, N C =,8 x10 19 cm -3, N V = 1,04 x10 19 cm -3 da kt = 0,059 ev). 8. Jelaska faktor aa saja yag memegaruhi koduktivitas, ada baha semikoduktor. Da sebutka dalam mekaisme hatara listrik aa yag berera utuk meghatarka, aa bedaya dega baha koduktor. 9. Jelaska bagaimaa caraya membuat baha semikoduktor itrisik mejadi baha semikoduktor tie- da semikoduktor tie-, sebutka ersyarata utamaya. 10. Tuliska ersamaa yag meyataka raat elektro () atau raat hole () masig-masig ada ita koduksi da ita valesi ada semikoduktor itrisik. 11. Tuliska ersamaa yag meyataka hubuga atara raat embawa muata itrisik terhada N v, N C da eergi ga E g. Modul.FIS.5 Semikoduktor 39

50 f. Kuci Jawaba Tes Formatif 1. s= 08 (O-cm) -1. (a). mafaat egukura dega efek Hall: (1) meetuka jeis semikoduktor ekstrisik () meetuka kosetrasi embawa ( da ) (3) meetuka mobilitas Hall (4) Meetuka eergi ga semikoduktor (b). R H = 6.50 cm 3 /C 3. V bi = 0,904 ev 4. (a) doig boro (B): = 1,5 x atom/cm 3 = 1,4 x 10 5 atom/cm 3 s = 0,108 (O-cm) -1 (b) doig atom arseida (As): = 7,0 x 10 3 atom/cm 3 = 3,0 x atom/cm 3 s = 6,4 (O-cm) -1 (c) doig atom gallium (Ga): =,0 x atom/cm 3 = 1,05 x 10 4 atom/cm 3 s = 0,80 (O-cm) (a) Semikoduktor Si: s = 4,4 x10-6 (O-cm) -1 (b) Semikoduktor GaAs: s =,6 x10-9 (O-cm) (a) R H = 31,5 cm 3 /C, (b) V H = 31,5 mv 7. (a) doig boro (B): = 1,5 x atom/cm 3 = 1,4 x 10 4 atom/cm 3 E F E V = 0,169 ev da E i E F = 0,359 ev (b) doig atom arseida (As): = 8,4 x 10 3 atom/cm 3 =,5 x atom/cm 3 Modul.FIS.5 Semikoduktor 40

51 E C E F = 0,18 ev da E F E i = 0,37 ev 8. (a) faktor yag beregaruh terhada koduktivitas: mobilitas, jumlah kosetrasi embawa, muata elektro. Koduktivitas juga diegaruhi oleh temeratur( T 1 ) Da yag berera dalam eghatara listrik ada baha semikoduktor adalah elektro da hole, sedag ada baha koduktor haya elektro saja. 9. Yaitu dega memberika atom doig/egotor ada semikoduktor itrisik: atom door membetuk baha semikoduktor tie-, da atom aksetor membetuk baha semikoduktor tie-. Persyarata atom doig adalah: ukura atom doig harus sama dega ukura atom baha semikoduktor itrisik. Atom door elektro valesiya harus lebih bayak satu dari elektro valesi atom itrisik, atom aksetor elektro valesiya harus kurag satu dari elektro valesi atom itrisik. EC EF EV EF 10. NC ex da NV ex kt kt Eg 11. i NCNV ex, atau: kt Eg l( ) kt 1 N l N C V Modul.FIS.5 Semikoduktor 41

52 g. Lembar Kerja Idetifikasi tie semikoduktor ekstrisik dega ekserime Hall Efek Hall ada semikoduktor tie- aka meghasilka tegaga Hall yag berlawaa olaritas dega tegaga Hall yag dihasilka ada semikoduktor tie- dalam meda listrik da meda maget B yag sama. Peristiwa tersebut daat diahami karea hole yag bermuata ositif bergerak dalam arah yag berlawaa dega elektro megalami gaya maget yag sama, sehigga terkumul disalah satu sisi baha semikoduktor. Dega demikia aka terjadi meda listrik Hall dega olarisasi yag berlawaa dega kasus semikoduktor tie-. l w v v x A V H I + - V B = B Z z da E = E y y = elektro = hole y z x Modul.FIS.5 Semikoduktor 4

53 BAB III. EVALUASI A. Tes Tertulis 1. Tetuka resistivitas ada temeratur ruag sebuah semikoduktor tie- yag didoig dega arseida atom/cm 3.. Jika dalam ercobaa Hall diakai semikoduktor siliko tie- dieroleh data V H = -10 mv, l = 5 mm, A = 5 mm, I = 10 Amer, da B =,5 Tesla, tetuka: kosetrasi embawa () da koduktivitasya. 3. Hitug built-i otetial utuk sambuga - semikoduktor siliko dega N A =,5x10 18 cm -3 da N D =1, x10 16 cm -3 ada temeratur kamar (300K). 4. Tetuka:,, da resistivitas dari samel semikoduktor siliko ada temeratur kamar, jika didoig dega atom: (a) Boro,5 x atom/cm 3 (µ = 450), (b) Arseik 5 x atom/cm 3 (µ = 1300), 5. Tetuka resistivitas dari semikoduktor itrisik: (a) siliko (Si), da (b) Gallium Arseida (GaAs) ada temeratur kamar. 6. Tijau sebuah samel Si yag didoig dega atom oshor,4 x atom/cm 3. Tetuka koefisie Hall da tegaga Hall didalam samel, jika arameter samel adalah: l = 500 µ m, A = 10 mm, I = 1 ma da B = 10-4 Wb/cm. 7. Tetuka kosetrasi elektro da hole da tigkat eergi fermi sebuah semikoduktor GaAs ada temeratur 300 K, jika didoig: (a) Berillium (Be) 3 x 10 8 atom/cm 3, da (b) Timah (S),3 x 10 8 atom/cm Tuliska ersamaa yag meyataka raat arus elektro () atau raat arus hole () yag meruaka kotribusi dari arus drift da arus difusi, tulis juga total raat arus ada baha semikoduktor. Modul.FIS.5 Semikoduktor 43

54 9. Tetuka koefisie difusi semikoduktor siliko Si ada temeratur kamar (T=300K, µ = 1450, µ = 450). B. Kuci Jawaba 1. = 4,81 (O-cm). = 1,56 x 10 1 atom/cm 3 da s= 3,6x10 5 (O-cm) V bi = 0,844 ev 4. (a) doig boro (B): =,5 x atom/cm 3 = 8,4 x 10 4 atom/cm 3 = 5,56 (O-cm) (b) doig atom arseida (As): = 4, x 10 3 atom/cm 3 = 5,0 x atom/cm 3 = 0,096 (O-cm) 5. (a) Semikoduktor Si: = 3,9x10 8 (O-cm) (b) Semikoduktor GaAs: =,7x10 5 (O-cm) 6. (a) R H = -,6x10 3 cm 3 /C, (b) V H = -0,13 mv 7. (a) doig berillium (Be): = 3,0 x 10 8 atom/cm 3 = 1,07 x 10 4 atom/cm 3 E F E V = 0,618 ev da E i E F = 0,133 ev (b) doig atom timah (S): = 1,39 x 10 4 atom/cm 3 =,3 x 10 8 atom/cm 3 E C E F = 0,555 ev da E F E i = 0,16 ev. Modul.FIS.5 Semikoduktor 44

55 8. Raat arus total kotribusi kosetrasi embawa ( da ) adalah: J da, e D d dx J e D d dx sehigga, J e e D D Total 9. kt D q 0,059 ev , 56 kt D q 0,059 ev ,66 d dx d dx Modul.FIS.5 Semikoduktor 45

56 B. Tes Praktek Meetuka mobilitas atau koduktivitas baha Dari ersamaa koduktivitas : e, yag selajutya utuk tie tertetu dari baha semikoduktor ( atau ), haya diguaka ersamaa : e atau e, sedagka mobilitas dihitug dari resistivitas, 1, da dalam meetuka daat dilakuka dega egukura dega metode V emat elektroda (ola Werer), sehigga : = 4 S, sehigga I mobilitas Hall daat dihitug dega: 1 R H A I V S Baha semikoduktor Modul.FIS.5 Semikoduktor 46

57 Nama Peserta : No. Iduk : Program Keahlia : Nama Jeis Pekerjaa : PEDOMAN PENILAIAN LEMBAR PENILAIAN TES PESERTA No. Asek Peilaia Skor Skor Keteraga Maks. Peroleha I Perecaaa 1.1.Persiaa alat da baha 1..Aalisis model susua 3 II III IV V VI Model Susua.1.eyiaa model susua..peetua data istruksi d model Proses (Sistematika & Cara kerja) 3.1.Prosedur egambila data 3..Cara megukur variabel bebas 3.3.Cara meyusu tabel egamata 3.4.Cara melakuka erhituga data Kualitas Produk Kerja 4.1.Hasil erhituga data 4..Hasil grafik dari data erhituga 4.3.Hasil aalis 4.4.Hasil meyimulka Sika/Etos Kerja 5.1.Taggug jawab 5..Ketelitia 5.3.Iisiatif 5.4.Kemadiria Laora 6.1.Sistematika eyusua laora 6..Kelegkaa bukti fisik Sub total 5 3 Sub total Sub total Sub total Sub total Sub total 10 Total 100 Modul.FIS.5 Semikoduktor 47