MIKROELEKTRONIKA. Gejala Transport dalam Semikonduktor. D3 Teknik Komputer Universitas Gunadarma

Transkripsi

1 MIKROELEKTRONIKA Gejala Transport dalam Semikonduktor D3 Teknik Komputer Universitas Gunadarma

2 MOBILITAS & KONDUKTIVITAS Gambaran gas elektron dari logam Bagian yang gelap menyatakan bagian yang mempunyai muatan total positif, berasal dari inti atom dan elektron bagian dalam yang terikat kuat. Titik hitam menggambarkan elektron luar atau elektron valensi dari atom. Bayangkan suatu logam dapat dibayangkan sebagai suatu ruang yang mengandung kisi-kisi ion berat, yang periodik dalam tiga dimensi, yang saling mengikat dengan kuat dan diantaranya diisi oleh kawanan elektron yang bergerak kian kemari.

3 TEORI GAS ELEKTRON DARI LOGAM Elektron terus menerus bergerak yang arahnya selalu berubah-ubah setelah mengalami tumbukan dengan ion yang berat (yang hampir selalu diam). Jarak rata-rata antara dua tumbukan disebut jarak bebas rata-rata. Gerak elektron yang acak mengakibatkan pada suatu saat elektron yang bergerak melalui suatu satuan luas dalam logam dalam dua arah yang berlawanan rata-rata sama banyaknya. Oleh karena itu arus rata-ratanya sama dengan nol.

4 Kecepatan Hanyut V Arahnya berlawanan dengan arah medan listrik. Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a = q / m adalah percepatan. Kecepatan V berbanding lurus dengan. V = (m kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.

5 Rapat Arus Arus dalam ampere : Rapat arus : J dalam ampere meter kuadrat dan A adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat LA adalah volume yang mengandung N elektron, sehingga : n adalah rapat elektron (dalam elektron per meter kubik) nq n adalah rapat muatan dalam coulomb meter kubik dan v dalam meter per detik. Konduktivitas N LA J I A nq I J Nq T J Nqv LA nqv Nqv L v adalah kondutivitas dari logam dalam (ohm meter) -1

6 ELEKTRON & HOLE DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK Konduktivitas berbanding lurus dengan konsentrasi n dari elektron bebas. Konduktor yang baik n = kubik elektron/meter Isolator n = 10 7 Semikonduktor harga n diantara konduktor dan isolator

7 Ikatan Kovalen Ikatan kovalen Elektron valensi Struktur kristal Ge dilukiskan secara simbolik dalam dua dimensi Atom Germanium mempunyai 32 elektron. Setiap atom menyumbangkan 4 elektron. Merupakan atom tentravalen. Mempunyai muatan listrik + 4 dalam satuan muatan listrik elektron. Setiap elektron valensi dari germanium dimiliki bersama dengan sebuah dari empat atom germanium yang bertetangga dekat. Mempunyai konduktivitas yang rendah

8 Hole Pada temperatur sangat rendah kristal berperilaku sebagai isolator. Pada temperatur kamar, beberapa dari ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal dan konduksi dimungkinkan. Energi Eg yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen : Germanium : 0.72 ev Silikon : 1.1 ev Ikatan kovalen yang tidak lengkap disebut lubang. Kristal Germanium dengan satu ikatan kovalen yang patah

9 Dalam semikonduktor intrinsik (murni) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas. Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi (rapat) elektron n, sehingga : n = p = n i n i disebut konsentrasi atau rapat intrinsik

10 TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR Apabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk semikonduktor yang takmurni, yang ekstrinsik. Donor-donor Apabila atom tak murnian mempunyai lima elektron valensi, maka atom takmurnian akan menggeser beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal. Empat dari lima elektron valensi akan mengisi ikatan kovalen dan yang kelima akan terlepas dan dapat digunakan sebagai pembawa arus. Energi yang diperlukan untuk melepas elektron adalah : Ge = 0.1 ev Si = 0.05 ev Contoh : antimurnian (Sb), Fosfor dan Arsenikum Takmurnian ini memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, dikenal sebagai donor atau tipe-n.

11 Akseptor Apabila suatu takmurnian trivalen ditambahkan pada semikonduktor intrinsik hanya tiga ikatan kovalen yang diisi. Kekosongan yang terjada pada ikatan keempat membentuk lubang. Takmurnian serupa menyediakan pembawa positif oleh karen takmurnian tersebut menciptakan lubang dan dapat menerima elektron, dikenal sebagai akseptor atau tipe-p. Hukum Aksi-Massa Penambahan takmurnian tipe-n, mengurangi banyaknya lubang. Penambahan takmurnian tipe-p, menurunkan rapat elektron bebas. Perkalian dari rapat muatan negatif yang bebas dan muatan yang positif, merupakan suatu tetapan dan tidak bergantung pada banyaknya donor dan akseptor np = n i 2 Dalam semikonduktor tipe-n, elektron2 disebut pembawa mayoritas sedangkan lubang adalah pembawa minoritas. Dalam semikonduktro tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

12 RAPAT MUATAN DALAM SEMIKONDUKTOR Rapat muatan positif = N D + p Rapat muatan negatif = N A + n Pada semikonduktor netral, besarnya muatan positif sama dengan besar muatan negatif : N D + p = N A + n Pada semikonduktor tipe n, banyaknya elektron lebih besar dari banyaknya lubang (n >> p) sehingga : n n = N D Rapat Lubang p n dalam semikonduktor tipe-n adalah : n 2 i p n = N D Untuk semikonduktor tipe-p adalah : n 2 i n p = N A

13 SIFAT ELEKTRIK Sifat Listrik dari Logam dan Semikonduktor : Logam : Bersifat unipolar, menghantar arus hanya dengan muatan-muatan (elektron-elektron) yang menpunyai satu tanda saja. Semikonduktor : Bersifat bipolar, mengandung pembawa-pembawa arus dengan muatan yang berlawanan.

14 PENENTUAN KONSENTRASI PEMBAWA Dari teori tentang Hukum Aksi-Massa maka didapat : Bahwa dengan memberi takmurnian pada semikonduktor intrinsik tidak hanya menaikkan konduktivitas, tapi dapat juga digunakan utk menghasilkan semikonduktor dengna pembawa listrik, sebagian terbedar lubang atau sebagian terbesar elektron Dalam semikonduktor tipe-n, elektron-elektron disebut pembawa mayoritas dan lubang adalah pembawa minoritas. Dalam semikonduktor tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

15 PERSAMAAN ALIRAN ARUS & PERSAMAAN POISSON Persamaan Aliran arus : J I A J dalam ampere meter kuadrat, A adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat Persamaan Poisson : adalah permitivitas. d 2 V = dx 2