Semikonduktor. Sifat. (ohm.m) Tembaga 1,7 x 10-8 Konduktor Silikon pd 300 o K 2,3 x 10 3 Semikonduktor Gelas 7,0 x 10 6 Isolator

Transkripsi

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

2 Tiga buah bahan yakni tembaga, silikon, dan gelas masingmasing memiliki panjang 1 m, dan diameter 1mm, jika pada kedua ujung bahan tersebut terpasang tegangan 10V, tentukan besarnya arus yang lewat masingmasing bahan tersebut! Jawab: Hitung dulu R dengan rumus: R l = ρ A = πr 2 r = D A 2 Selanjutnya dihitung I untuk masingmasing bahan dengan rumus: I = V R

3 i=0,46 x 10 3 A Tembaga i= 3,41 x 10 9 A Silikon i=1,12 x A Gelas Perhatikan! Arus yang mengalir pada bahanbahan tersebut dari yang terbesar adalah pada konduktor (tembaga), semikonduktor (silikon), dan isolator (gelas) 10V

4 Semikonduktor Definisi II: Bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kirakira sebesar 1 ev Elektron bebas Pita Konduksi Pita Konduksi EG 1eV Pita Terlarang EG 6eV Hole Pita Valensi Pita Valensi KONDUKTOR SEMIKONDUKTOR ISOLATOR

5 Bahanbahan Semikonduktor TRIVALENT: logamlogam yang memiliki atomatom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In) TETRAVALENT: logamlogam yang memiliki atomatom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge) PENTAVALENT: logamlogam yang memiliki atomatom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb)

6 Bahanbahan Semikonduktor Bahan yang paling banyak digunakan adalah Si dan Ge Jumlah elektron Si 14 buah Jumlah elektron Ge 32 buah Jumlah elektron valensi (elektron terluar) Si maupun Ge `masingmasing 4 buah Jenis ikatan kovalen

7 Jenis Semikonduktor: Intrinsik Semikonduktor Intrinsik Merupakan semikonduktor murni dan tidak cacat, contoh Silikon Murni Elektron Valensi Si Si Si Si Ikatan Kovalen Si Visualisasi 3dimensi Visualisasi 2dimensi Struktur kristal Si: pengulangan secara teratur satuan sel 3 dimensi berbentuk tetrahedral

8 Semikonduktor intrinsik pada suhu yang sangat rendah: Semua elektron berada pada ikatan kovalen Tak ada elektron bebas atau tak ada pembawa muatan sehingga bersifat sebagai isolator Semikonduktor intrinsik pada suhu kamar: Agitasi termal menyebabkan beberapa elektron valensi keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas sebagai pembawa muatan negatif Munculnya elektron bebas diikuti dengan terbentuknya hole (lubang) sebagai pembawa muatan positif, peristiwanya disebut pembangkitan (generation) Jika dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagai konduktor dengan konduktansi rendah)

9 Elektron Bebas Hole Pita Konduksi Elektron Bebas EG 1,2eV Pita Terlarang EG 1,1eV Pita Valensi Hole Si pada O o K Si pada 300 o K

10 Sifat bahan Silikon dan Germanium (milman, 1986) Sifat Si Ge Nomor atom Berat atom 28,1 72,6 Kerapatan, gr/cm 3 2,33 5,32 Konstanta dielektrik Atom/cm 3 5,0 x ,4 x Jurang tenaga (E G ) pada 0 o K, ev 1,21 0,785 Jurang tenaga (E G ) pada 300 o K, ev 1,1 0,72 Konsentrasi Intrinsik (300 o K), n i, cm 3 1,5 x ,5 x ρ intrinsik pada 300 o K, ohm.cm Mobilitas elektron pada 300 o K (µ n ), cm 2 /V.s Mobilitas elektron pada 300oK (µ p ), cm 2 /V.s

11 Pembawa Muatan Pada Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor Intrinsik Generation Medan Listrik Terpasang, E e 2 e h1 1 h 2 e 2 e 1 e n h 0 e n Keadaan Terdahulu Recombination Keadaan Kemudian

12 Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik Semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing Semikonduktor Ekstrinsik Semikonduktor TipeN Pengotoran oleh atom pentavalent spt P, As, Sb Atom pengotornya disebut atom donor Pembawa muatan: elektron Pengotoran oleh atom Semikonduktor TipeP trivalent spt B, Ga, In Atom pengotornya disebut atom akseptor Pembawa muatan: hole

13 Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik Tujuan doping: meningkatkan konduktivitas semikonduktor, dan memperoleh semikonduktor dengan hanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja Perbandingan doping: Atom dopant : atom murni=1:10 6 s.d Dopant adalah atom pengotor. Atomatom dopant pada semikonduktor tipen adalah atomatom pentavalent dan dinamakan atom donor, sedangkan pada semikonduktor timep trivalent dan dinamakan atom akseptor.

14 Semikonduktor TipeN Elektron Bebas Pita Konduksi EC As EG Tingkat energi donor 0,05eV ED EV Pita Valensi Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama hole karena generation akibat agitasi termal. Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole sebagai pembawa muatan minoritas.

15 Semikonduktor TipeP Hole Pita Konduksi EC In EG Tingkat energi akseptor 0,05eV EA EV Pita Valensi Hole sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama elektron bebas karena generation akibat agitasi termal. Hole menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron bebas sebagai pembawa muatan minoritas.

16 Piranti Semikonduktor Beberapa piranti semikonduktor: diode pertemuan pn, transistor, termistor, SCR (silicon controlled rectifier), IC (Integrated Circuit)

17 Diode Pertemuan PN Suatu pertemuan pn adalah kristal tunggal semikonduktor yang pada satu sisinya mendapat penyuntikan atom akseptor dan pada sisi yang lain mendapat penyuntikan atom donor Pertemuan pn merupakan blok bangunan dasar (basic building block) bagi piranti semikonduktor Diode pertemuan pn: pertemuan pn yang pada kedua sisinya dilekatkan logam (metalurgical bond) sehingga terdapat dua ujung logam yang merupakan terminal atau elektrode, yakni anode pada sisi p dan katode pada sisi n.

18 Pertemuan PN Atomatom Akseptor Atomatom Donor Doping Doping Kristal Tunggal Semikonduktor Hasilnya: TypeP TypeN

19 Diode Pertemuan PN Kawat Kawat TypeP PERTEMUAN PN TypeN Logam Pembungkus Logam Hasilnya: Anode Katode Simbol:

20 Pertemuan PN Terbuka Bidang Pertemuan Ion Akseptor Ion Donor Hole Jenis p Lapisan Pengosongn Jenis n Elektron Atomatom yang mengandung hole dapat digambarkan sebagai ionion negatif karena kekurangan elektron, dan atomatom yang kelebihan elektron sebagai ion positif Ionion akseptor adalah ionion negatif dan ionion donor adalah ionion positif.

21 Pertemuan PN Terbuka Lapisan Pengosongan: Saat p dan n dipertemukan, terjadi difusi elektron ke arah p dan difusi hole ke arah n, menimbulkan arus difusi ke kanan Terjadi recombination (penggabungan) di sekitar bidang pertemuan sehingga elektron dan hole lenyap Di sekitar bidang pertemuan tak terdapat pembawa muatan, disebut daerah pengosongan (depletion region) Tegangan Penghalang: Lenyapnya elektron meninggalkan ion donor (), dan lenyapnya hole meninggalkan ion akseptor () Adanya ion positif dan negatif menyebabkan adanya medan listrik sehingga ada tegangan, disebut tegangan kontak atau tegangan penghalang (barrier potensial), menimbulkan arus drift ke kiri Karena pertemuan pn ini terbuka, maka ada kesetimbangan antara arus drift dengan arus difusi

22 Pertemuan pn dengan prasikap maju (forward bias): VD Anode Jenis P Jenis N Katode Lapisan Pengosongn E Adanya V D menyebabkan arus difusi lebih besar dari arus drift Jika potensial penghalang sebelum diberi V D adalah V o, maka potensial penghalang turun menjadi V o V D, daerah pengosongan menjadi sempit Pembawa mayoritas punya energi yang cukup untuk melewati potensial penghalang Hole dari sisi p (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan menjadi pembawa minoritas di sisi n Elektron dari sisi n (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan menjadi pembawa minoritas di sisi p Jumlah arus dari elektron dan hole merupakan arus total yang lewat diode

23 Pertemuan pn dengan prasikap mundur (reverse bias): VD Anode Jenis P Jenis N Katode Lapisan Pengosongn E Hole pada sisi p bergerak ke kiri, elektron pada sisi n bergerak ke kanan, daerah pengosongan melebar, potensial penghalang menjadi V o V D, tidak ada arus lewat bidang pertemuan Karena daerah pengosongan pada dasarnya merupakan semikonduktor intrinsik, agitasi termal dapat menyebabkan terjadinya generation sehingga muncul pasangan elektron dan hole pada daerah ini Pengaruh medan listrik yang terpasang terhadap adanya elektron dan hole di daerah pengosongan menyebabkan terjadinya arus yang arahnya dari katode ke anode dan disebut arus balik saturasi yang besarnya 10 8 sampai dengan A.