Bab V, Semikonduktor Hal: 119 BAB V SEMIKONDUKTOR

Transkripsi

1 Bab V, Semikoduktor Hal: 119 BAB V SEMIKONUKTOR Isolator, Semikoduktor da Koduktor Secara sederhaa zat adat daat dikelomokka sebagai Isolator, Semikoduktor da Koduktor. Baha semikoduktor adalah suatu material dega sifat koduktivitas diatara koduktor da isolator, cotoh Siliko (Si), Ge (Germaium). Saat ii Si umumya diguaka sebagai devais elektroik, seerti dioda, trasistor, IC (itegrated circuit) amu GaAs memiliki otesi yag besar utuk diguaka sebagai devais elektroika ada masa datag, terutama ditujuka utuk beroerasi ada frekuesi tiggi. Utuk mejelaska koduktivitas baha serig kali megguaka kose ita eergi. Ada dua ita eergi, yaitu ita valesi da ita koduksi. Pita valesi adalah ita eergi yag mugki diisi oleh elektro dari zat adat higga komlit. Setia ita memiliki N elektro dega N adalah jumlah atom. Bila masih ada elektro yag tersisa aka megisi ita koduksi. Pada suhu 0 K, ita koduksi terisi sebagia utuk baha koduktor, sedagka utuk isolator da semikoduktor tidak ada elektro yag megisi ita koduksi. Perbedaaya terletak ada eergi ga E g yaitu selag eergi atara ita koduksi miimum da ita valesi maksimum. Pada baha semikoduktor E g ~ 1 ev, sedag ada isolator E g ~ 6 ev. Secara diagramatik ita eergi dari isolator, semikoduktor da koduktor ditujukka ada gambar berikut.

2 Bab V, Semikoduktor Hal: 10 ita koduksi miimum ita valesi maksimum ita koduksi miimum ita valesi maksimum ita valesi maksimum ita koduksi miimum ISOLATOR SEMIKONUKTOR KONUKTOR (a) (b) (c) Gambar 1, Perbedaa tigkat eergi dari material Gambar (a) Struktur ita eergi isolator (misal ita). Pita laraga yag besar ii memisahka ita valesi yag terisi dega ita koduksi yag kosog. Gambar (b) Struktur ita eergi semikoduktor (misal grafit). Lebar ita relatif kecil, E g 1 ev. Pada saat suhu aik, elektro ada ita valesi mamu beridah ke ita koduksi. Karea adaya elektro di ita koduksi akibatya baha itu mejadi sedikit koduktif, karea itu disebut semikoduktor. Gambar (c) Struktur ita eergi koduktor (misal metal). Pita koduksi terisi sebagia, jika ada meda listrik luar elektro aka memeroleh tambaha eergi sehigga beridah yag berakibat timbul arus listrik.

3 Bab V, Semikoduktor Hal: 11 Teorema Pita Eergi Kristal alam sistem susua berkala usurusur, atom Si termasuk gologa IV, jadi ada 4 elektro ada orbit terluarya. Masigmasig atom Si membetuk struktur kristal dega atomatom tetaggaya da elektroelektro valesiya membetuk ikata kovale, sehigga masigmaig atom seolaholah memiliki 8 elektro terluar dega 4 elektro berasal dari milikya sediri sedag 4 elektro laiya berasal dari 4 atom tetagga terdekatya. Susua ii membetuk kristal siliko itrisik dega muata total = 0 coulomb, sketsa kristal Si ditujukka ada gambar berikut. Gambar, Sketsa kristal Si Kristal itrisik ii bervibrasi akibat eergi termal yag memberika eergi tambaha ada kristal istrisik tsb. Eergi ii tidak terdistribusi secara merata sehigga ada beberaa titik kisi aka ecah demikia ula elektroya aka leas dari ikataya sehigga mejadi elektro bebas yag aka mejadi embawa muata egatif. Sebalikya titik dimaa elektro tsb meiggalka tematya mejadi bermuata ositif da dikeal sebagai hole, yag membawa muata ositif.

4 Bab V, Semikoduktor Hal: 1 Bila diberi sumber C aka ada arus listrik yaig megalir di dalam kristal tsb. Elektro aka bergerak ke kutub ositif sumber C tsb sedagka hole aka bergerak berlawaa arah. Mobilitas da Koduktivitas Arus listrik ada metal terjadi akibat eridaha elektro, sedag ada semikoduktor bergatug ada elektro da hole. Semikoduktor daat didoe mejadi: a. domia hole tie b. domia elektro tie Hal ii berarti bahwa semikoduktor tie memiliki jumlah elektro bebas lebih bayak dibadigka dega jumlah hole da sebalikya utuk tie jumlah hole lebih bayak dari jumlah. Karea itu elektro ada tie disebut embawa muata mayoritas da hole

5 Bab V, Semikoduktor Hal: 13 adalah embawa muata mioritas, sebalikya ada tie elektro adalah embawa muata mioritas sedagka hole adalah embawa muata mayoritas. Semikoduktor Istrisik Pada suhu 0 K, kristal Si atau Ge berkelakua sebagai isolator, sedag ada suhu kamar T, beberaa ikata kovale utus akibat eergi termal (E g = 0,7 ev utuk Ge da 1,1 ev utuk Si), akibatya ada elektro bebas dalam kristal da ada hole yag ditiggalka oleh elektro akibat terutusya ikata kovale tsb, seerti diilustrasika sbb: Utuk semikoduktor itrisik (muri) kosetrasi elektro bebas da kosetrasi holeya sama, atau: dega i : kosetrasi istrisik. = = i

6 Bab V, Semikoduktor Hal: 14 Utuk memerbesar koduktivitas, baha semikoduktor itu diberi doig, akibatya baha itu itu aka mejadi tie atau tie tergatug doigya, sehigga mejadi semikoduktor ekstrisik. oa dikelomokka sebagai: a. door diberi imuritas yag bervalesi 5 (misalya P, As, Sb) tie b. aksetor diberi imuritas yag bervalesi 3 (misalya Bo, I, Ga, B) tie Kosetrasi doig ~ 1 m. ega adaya doig maka aka berakibat, sehigga koduktivitasya mejadi : utuk tie σ d = qμ utuk tie σ a = qμ dega da adalah masigmasig kosetrasi imuritas utuk door da aksetor. Pada saat emberia imuritas door (tie) aka mucul tigkat eergi yag dierbolehka di bawah eergi ita koduksi teredah yaitu sekitar 0,01 ev (utuk Ge) da 0,05 ev (utuk Si). Sehigga ada suhu kamar hamir semua elektro door berada di ita koduksi. Utuk imuritas aksetor (tie) juga aka mucul tigkat eergi di atas tigkat eergi ita valesi tertiggi. Karea haya erlu eergi kecil saja elektro dari ita valesi beridah ke tigkat eergi aksetor akibatya aka timbul hole di ita valesi.

7 Bab V, Semikoduktor Hal: 15 dikotori dega Sb dikotori dega I Utuk kesetimbaga termal berlaku hukum massactio, yaitu: = i Hasil kali kosetrasi hole dega elektro tidak bergatug ada kosetrasi door mauu aksetor taa memerhatika level doigya. Jika ada door, maka door aka terioisasi sehigga raat muata mejadi = N. Sedag utuk aksetor juga aka terioisasi, sehigga raat muata mejadi = N A. Karea semikoduktor dalam keadaa etral, akibatya: N = N A.

8 Bab V, Semikoduktor Hal: 16 Utuk : dega: i tie N A=0 N = N i tie N =0 N A = NA, : kosetrasi elektro mobile, da hole ada tie, : kosetrasi elektro mobile, da hole ada tie = i = i N A da N adalah kosetrasi hole da elektro imobile elektro: embawa muata mayoritas ada tie, da embawa muata mioritas ada tie hole: embawa muata mayoritas ada tie, da embawa muata mioritas ada tie. Cotoh utuk tie, berlaku N = 0 dieroleh : N = = N = A i atau N = 0, didaat : A i = N N 1 ( 4 ) A A i Utuk tie (N A = 0), didaat : = N N 1 ( 4 ) i Sifatsifat listrik dari Ge da Si Metal bersifat uiolar arus listrik haya berasal dari eridaha elektro saja. Sedagka Semikoduktor bersifat biolar ada dua embawa muata (elektro embawa egatif, hole embawa ositif). Pada saat baha semikoduktor diberi meda listrik E timbul arus, dega J = (μ μ ) q E = σ E : kosetrasi elektro bebas

9 Bab V, Semikoduktor Hal: 17 : kosetrasi hole σ : koduktivitas σ = ( μ μ ) q = = i utuk semikoduktor itrisik Kosetrasi itrisik bergatug ada suhu yag diyataka sebagai: E Go 3 kt i = AoT e dega A o : kostata E Go : eergi ga ada T = 0 K k : kostata Boltzma. Secara ekserimetal eergi ga bergatug ada suhu, sebagai: utuk Si: utuk Ge: Pada suhu ruag 1,1 3,60 x 10 4 T 0,785,3 x 10 4 T E G = 1,1 ev (Si) da 0,7 ev (Ge) Mobilitas μ teryata bergatug ada suhu da meda listrik, sebagai: μ T m utuk Si, m =,5 utuk elektro m =,7 utuk hole utuk Ge, m = 1,66 utuk elektro m =,33 utuk hole Jika E < 10 3 V/cm μ buka fugsi E 10 3 < E < 10 4 V/cm μ E 1/ E > 10 4 V/m μ E

10 Bab V, Semikoduktor Hal: 18 ifusi Kosetrasi embawa muata daat tidak homoge, seerti ada gambar. Ketidak homogea kosetrasi hole ii megakibatka arus difusi, yag diyataka sebagai : J = d q dx dega : kostata difusi utuk hole tada mius karea d/dx egatif utuk x ositif. ifusi da mobilitas salig deede, sesuai dega relasi Eistei: kt μ μ q = = V T = Pada semikoduktor gradie otesial da gradie kosetrasi daat terjadi bersamasama, sehigga arus yag megalir meruaka kombiasi karea drift da difusi, sebagai:

11 Bab V, Semikoduktor Hal: 19 d = (A) J q μ E q dx d = (B) J q μ E q dx Persamaa Kotiuitas Secara umum kosetrasi embawa muata sebagai fugsi dari osisi da waktu, amu erlu diigat bahwa muata tidak daat dicitaka atau dimusahka, berlaku: 1 J t τ q x = o 1 J t τ q x = o (C) () dega idex da masigmasig utuk hole da elektro, τ : mea lifetime, o da o : ilai da ada saat kesimbaga termal, J : raat arus Meda listrik E berkaita dega raat muata sesuai dega ersamaa Poisso: E ρ q = = N N x ( ) A (E) dega : ermitivitas baha semikoduktor N : kosetrasi door N A : kosetrasi aksetor ari kelima ersamaa ii daat dicari hubuga atara besarabesara,, E, J da J. Utuk baha tie, ersamaa di atas diberi ideks, ersamaa kotiuitas mejadi:

12 Bab V, Semikoduktor Hal: 130 ( E) t τ x x o = μ. Persamaa ii sukar diselesaika, ambil kasus khusus 1. Kosetrasi tak bergatug x ( / x = 0) da E = 0. Kosetrasi tak bergatug t ( / t = 0) da E = 0 3. Kosetrasi berubah secara siusoida terhada t da E = 0 ioda PN Hubuga daat terjadi dega medifusi imuritas tie ada salah satu ujug kristal tie. Walauu ada hubuga atara dua tie siliko amu sebagai keseluruha bertidak sebagai kisi kristal tuggal. Akibatya elektro bebas dari tie aka bergerak meuju hole ada tie demikia ula hole ada tie bergerak ke elektro di tie sehigga terjadi roses rekombiasi. Selajutya aka terjadi laisa delesi. Pada dasarya laisa ii adalah isolator dega kelebiha elektro di sisi tie da kelebiha hole di sisi tie da berakibat timbulya beda tegaga di hubuga, yaitu V γ, seerti ditujukka ada Gambar 3. Setelah hubuga PN terbetuk, hole dari tie kosetrasiya lebih besar dari hole di tie, sehigga hole aka berdifusi, demikia ula ada elektro juga aka berdifusi da berrekombiasi. Namu roses ii tidak terjadi terus meerus da aka berheti jika terjadi kesetimbaga atara difusi da drift. alam keadaa seimbag: 1. daerah tie etral. daerah muata ruag tie 3. daerah muata ruag tie 4. daerah tie etral aerah () da (3) daerah muata ruag/laisa delesi/diole listrik. Pada daerah ii ada meda listrik walauu tidak diberi tegaga.

13 Bab V, Semikoduktor Hal: 131 laisa delesi V? d d Gambar 3 Laisa delesi da tegaga delesi Vγ d alam keadaa seimbag, J = 0, sehigga: J = q μ E q dx 1 d kt d = 0. ieroleh E = = ( l ) (Relasi Eistei μ dx q dx kt = ) μ q atau: d d kt d VB = E dx = ( l ) dx q dx d d B q q i kt kt kt A V = l = l = l q Jadi walauu dalam keseimbaga termal, terdaat beda tegaga atara atara kedua kutub dioda tegaga difusi. Model Pita ada dioda hubuga Ada bayak cara utuk membuat dioda hubuga, diataraya adalah dega ste juctio, yaitu distribusi muata aksetor/door secara uiform. Pada saat dihubugka tigkat eergi Fermiya aka sama, seerti ditujukka ada gambar berikut ii. i

14 Bab V, Semikoduktor Hal: 13 E C? E F E V Utuk 0 < x < d : aerah tie? aerah tie Pers. Poisso : Utuk d < x < 0: de dx = q N q N E = x C = q N E (xd ) q N q NA = E = (x d ) A E x C dega C da C : kostata itegrasi, dicari dega syarat batas. Pada x = 0, E = E m da E = 0 utuk x = d da x = d C = C q NAd q Nd C = da C = N d = N A d. Sedagka otesial listrik dieroleh dari V = E dx qn qnad 1 Utuk 0 < x < d : V = ( x dx) qn qnad A 1 Utuk d < x < 0: V = ( x dx) q( NAd Nd ) Pada x = d V = VB = Secara grafis ditujukka sbb:

15 Bab V, Semikoduktor Hal: 133 Hubuga atara eergi elektro dega tegaga elektrostatis diyataka sebagai E = qv. Sehigga model ita ada dioda hubuga sbb:

16 Bab V, Semikoduktor Hal: 134 Kaasitasi ada laisa elesi Pada laisa delesi terdaat muata ositif da egatif, yag daat diagga sebagai kaasitor, seerti ditujukka ada gambar berikut. ega megagga sebagai kaasitor lat sejajar, maka kaasitasi dari dioda tsb adalah:

17 Bab V, Semikoduktor Hal: 135 C A A = = d d d Kaasitasi ii dikeal sebagai kaasitasi delesi (kaasitasi hubuga) ( A Nd ) q N d dega memafaatka N d = N A d da VB = V B 1 1 dieroleh d = d d =. Sebalikya jika ada q NA N tegaga bias, maka ersamaa ii ilai V B digati dega V B ± V, dega V tegaga bias yag diberika ke dioda hubuga, sehigga 1 1 d= ( VB ± V) q NA N Selajutya dieroleh: A q C= = A V V B V B V q N N A N ± ± A N ( ) ( ) Secara grafis hubuga C vs. V diberika sbb: