MATERI III BAHAN SEMIKONDUKTOR

Transkripsi

1 MATERI III BAHAN SEMIKONDUKTOR A. Tujua 1. Tujua Umum Mahasiswa memahami baha semikoduktor. Tujua khusus a. Mahasiswa daat mejelaska egertia baha semikoduktor b. Mahasiswa daat meghitug kosetrasi elektro bebas ada baha semikoduktor itrisik c. Mahasiswa daat mejelaska terjadiya baha semikoduktor tie N d. Mahasiswa daat meghitug keaika daya hatar jeis akibat egotora semikoduktor itrisik B. Materi 1. Pokok Bahasa : Baha semikoduktor Sub Pokok bahasa : a. Pegertia baha semikoduktor b. Semikoduktor istrisik c. Semikoduktor tie P d. Semikoduktor tie N. Uraia materi a. Pegertia Baha semikoduktor Baha semi koduktor adalah baha yag daya hatar listrikya atara koduktir da isolator. Tahaa jeis baha semi koduktor atara sekitar 10-3 Ωm samai degas sekitar Ωm. Atom-atom baha semi koduktor membetuk krristal dega struktur tetrahedral, dega ikata kovale. Baha semi koduktor yag bayak diakai dalam elektkroika adalah siliko (Si) da Germaium (Ge). Pada 0 0 K SI memuyai lebar ita terlarag (eergy ga) 0,785 ev, sedag utuk Ge 1,1 ev.

2 Baik Si mauu Ge memuyai elektro valesi 4. Ada jeis aha semikoduktor yaitu semikoduktor itrisik (muri) da semi koduktor ekstrisik (tidak muri). Utuk semikoduktor ekstrisik ada tie yaitu tia P da tie N. b. Semi koduktor istrisik Semikoduktor istrisik (muri) adalah semi koduktor yag tidak atauu belum terkotori oleh atom-atom asig. Pada 0 o K ita valesi euh, ita koduksi kosog sehigga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yag lebih tiggi misal ada suhu kamar ada lektro ada ita valesi yag eergiya melebihi eergi ga sehigga daat melocat dari ita valesi ke ita koduksi mejadi elektro bebas dega meiggalka kekosoga ada ita valesi. Kekosoga ii disebut hole (lubag) da diagga bermuata ositif sebesar muata elektro. Dega demikia jika digambarka ita eergiya adalah seerti gambar III-1. Gambar III-1 Keadaa ita eergi baha semikoduktor istrisik Jika digambarka ikata kovale atom-atomya da susua kristaya dalam du dimesi maka tamak seerti ada gambar III-. tia atom terikat oleh ikata kovale dega emat atom yag terikat. Dalam gambar ikata kovale dilukiska dega garis legkug utus-utus dega elektro valesi di dalamya yag dgambarka dega titik hitam. Ligkara dega tada +4 di dalamya meukiska io-io, yaitu iti atom beserta elektro-elektroya kecuali 4 elektro valesi. Gambar III- a utuk keadaa 0 o K, sedag gambar III- b utuk eadaa suhu kamar. Tamak ada gambar III- a bahwa semua elektro valesi terikat erat di dalam ikata kovale, tak ada yag mejadi elektro bebas. Ii sesuai dega gambar III-1a dimaa ita valesi euh, ita koduksi kosog. Pada gambar III-b tamak ada elektro yag keluar dari ikatakovale da mejadi elektro bebas dega meiggalka

3 lubag (hole) ada ikata. Ii sesuai dega gambar III-1a dimaa eletro ada ita valesi yag melocat ke ita koduksi mejadi elektro bebas dega meiggalka hole ada ita valesi. Gambar III- Ikata da susua kristal semikoduktor istrisik dalam dua dimesi Jadi semikoduktor itrisik ada suhu 0 o K bersifat sebagai isolator, da ada suhu agak tiggi bersifat sebagai koduktor karea adaya embetuka asaga-asaga eletro bebas hole yag keduaya berlaku sebagai embawa ikata. Jika kosetrasi (jumlah er volume) elektro bebas dalam semi koduktot istrisik diyataka dega i da kosetrasi hole dega i maka berlaku i i (III.1) Ketergatuga kosetrasi embawa muata dalam semikoduktor istrisik terhada suhu daat ditetuka berdasarka statistik Fermi Dirac, da meghasilka formulasi sebagai berikut : i AoT 3 -EGO/kT (III.) Ao tetaa tak bergatug suhu T suhu kelvi E GO eergi ga ada 0 o K dalam ev K kostate Bolzma dalam ev/ o K,7 Daya hatar jeis da tahaa jeis semikoduktor itrisik diberika oleh ersamaa-ersamaa σ e i (µ + µ ) (III.3) 1 ρ e µ i ( µ + ) σ daya hatar listrik ρ taha jeis µ mobilitas elektro bebas (III.4)

4 µ mobilitas hole c. Semi koduktor tie N Semi koduktor tie N termasuk dalam semi koduktor ekstrisik (tak muri). Semi koduktor ekstrisik adalah semikoduktor istrisik yag medaat egotora (doig) atomatom asig. Kosetrasi egotora ii sagat kecil, dega erbadiga atom egotor (asig) dega atom asli berkisar atara 1 : 100 juta samai dega 1 : 1 juta Tujua ii adalah agar baha kaya aka satu jeis embawa muata saja (Elektro bebas saja atau hole saja) da utuk memerbesar daya hatar listrik. Semikoduktor tie N ialah semikoduktor eksitrik, yag dieroleh dari semikoduktor itrisik yag dikotori dega atom asig yag bervalesi 5 seerti As, Pb, P. Karea erbadiga atom egotor dega atom asli sagat kecil, maka setia atom egotor (asig) dikeliligi oleh atom-atom asli. Elektro valesi yag ke 5 dari atom egotor tidak terikat dalam ikata kovale sehigga mejadi elektro bebas. Dega demikia ada baha ii jumlah elektro bebas aka meigkat sesuai jumlah atom egotorya sehigga elektro bebas mejadi embawa muata mayoritas da hole (yag terbetuk akibat suhu) mejadi embawa muata mioritas. Karea embawa muata mayoritasya adalah elektro bebas, sedag elektro bebas bermuata egatif, maka semikoduktor yag terbetuk diberi ama semi koduktor tie N. dalam hal ii N keedeka dari kata Negatif, yaki jeis muata mayoritasya. Jadi tidak berarti bahwa semikoduktor ii bermuata egatif. Semikoduktor ii teta etral. Karea atom egotor memberika kelebiha elektro-elektro dalam ikata kovale, maka disebut door (atom door). Setelah door memberika kelebiha elektroya, maka aka mejadi io ositif.

5 Jika keadaa ikata da ita teagaya digambarka maka aka tamak seerti gambar III-3 di bawah. Gambar III-3 keadaa ikata da ita teaga semikoduktor tie N Jika kosetrasi elektro bebas ada semikoduktor tie N ii diyataka dega sedag kosetrasi holeya diyataka dega da kosetrasi atom door diyataka dega N D maka berlaku : N D (III.5) Meurut hukum massa aksi hasil kali kosetrasi embawa muata ositif dega embawa muata egatif dalam keseimbaga termal meruaka suatu tetaa yag tidak bergatug ada door da asetor yag besarya. Maka berdasarka hukum ii berlaku N D (III.7) N D Daya hatar jeis listrikya daat dicari dari hubuga sebagai berikut : ( µ ) σ e + µ σ e N + Dµ µ N D jika diabaika terhada maka D (III.8) σ en µ (III.9) d. Semikoduktor P Semikoduktor ii dieroleh dari semikoduktor itrisik yag dikotori dega atom asig yag bervalesi 3, misalya Al, atau Ga. Karea erbadiga atom egotor dega atom asli sagat kecil, maka setia atom egotor haya bervalesi 3 maka haya meyediaka 3 elektro dalam ikata kovale, sehigga ada kekuraga (kekosoga lubag hole). Dega demikia egotora ii meyebabka meigkatya jumlah hole atau dega

6 kata lai hole sebagai embawa muata mayoritas. Sedag embawa muata moiritasya adalah elektro bebas yag terbetuk adalah elektro bebas yag terbetuk akibat suhu. Karea embawa muata mayoritasya hole, sedag hole bermuata ositif maka semikoduktor yag terbetuk disebut semikoduktor tie P. dalam hal ii P keedeka dari kata ositif, yaki jeis muata mayoritasya. Jadi buka berarti semikoduktor ii bermuata ositif, tetai semikoduktor ii teta etral, seerti halya semikoduktor tie N. karea atom egotor meyediaka kekuraga, maka disebut asetor (atom asetor). Hole mudah diisi oleh elektro da elektro yag megisi meiggalka hole baru da seterusya sehigga ada geraka hole. Setelah hole diisi oleh elektro, asetor aka mejadi io egatif. Keadaa ikata da ita teaga dari semikoduktor ii daat ditujukka ada gambar III-4 dibawah Gambar III-4 Keadaa ikata da ita teaga semikoduktor tie P Jika kosetrasi elektro bebas ada semikoduktor toe P ii disebut, kosetrasi holeya da kosetrasi asetorya N A maka aalog ada semikoduktor tie N berlaku ersamaa-ersamaa : P N A (III.10) (III.11) N A << σ e N + Aµ µ N A da jika diabaika terhada maka σ en A µ cotoh soal : (III.1) (III.13)

7 kosetrasi atom Ge adalah 4,41 10 atom/cm 3. Jika tia 10 8 atom Ge dikotori 1 atom door, da µ 3800 cm /Vs, tetuka σ Jawab : 1 4,41 10 N D 10 / 4, σ en µ D 14 4, , , atom 3 cm 0,68 (Ωcm) Sumber belajar a. Millma, J., Halkias, C. C. Itegrated Electroics. Tokyo : Mc Graw kogakusha, Ltd b. Yohaes, H. C. Dasar-Dasar Elektroika. Jakarta : Ghalia Idoesia, 1979 C. Kegiata Belajar Megajar 1. Pedekata/Metode Metode Ceramah Ceramah tetag egertia baha semikoduktor, semikoduktor itrisik, semikoduktor tie P, da semikoduktor tie N. Alat/baha OHP utuk meyamaika kuliah D. Peilaia 1. Jelaska secara rici egertia baha semikoduktor baik megeai daya hatar jeis, usur, struktur elektro, ikata atar atom, mauu struktur kristalya.. Tetuka kosetrasi elektro bebas ada siliko ada shu 7 o C jika E GO 1,1 ev da k 8, ( o K) Jelaska terjadiya semikoduktor tie P 4. Jelaska terjadiya semikoduktor tie N

8 5. Diketahui i dari Ge ada 300 o K, cm 3. µ da µ masigmasig 3800 cm (Vs) -1 da 1800 cm (Vs) -1. Tetuka σ dari Ge muri ii. Jika tia atom Ge dikotori 1 atom door, tetuka keaika σ ya.