6 BAHAN SEMIKONDUKTOR 6.1 Semkoduktor Itrsk (mur) Slko da germaum meruaka dua jes semkoduktor yag sagat etg dalam elektroka. Keduaya terletak ada kolom emat dalam tabel erodk da memuya elektro vales emat. Struktur krstal slko da germaum berbetuk tetrahedral dega seta atom memaka bersama sebuah elektro vales dega atom-atom tetaggaya. Gambar 6.1 memerlhatka betuk kata kovale dalam dua dmes. Pada temeratur medekat harga ol mutlak, elektro ada kult terluar terkat dega erat sehgga tdak terdaat elektro bebas atau slko bersfat sebaga sulator. Gambar 6.1 Ikata kovale slko dalam dua dmes Eerg yag derluka mtuk memutus sebuah kata kovale adalah sebesar 1,1 ev utuk slko da 0,7 ev utuk germaum. Pada temeratur ruag (300K), sejumlah elektro memuya eerg yag cuku besar utuk meleaska dr dar 54 ELEKTRONIKA DASAR
kata da terekstas dar ta vales ke ta koduks mejad elektro bebas (gambar 6.). Besarya eerg yag derluka utuk meleaska elektro dar ta vales ke ta koduks dsebut eerg terlarag (eergy ga). Jka sebuah kata kovale terutus, maka aka terjad kekosoga atau lubag (hole). Pada daerah dmaa terjad kekosoga aka terdaat kelebha muata ostf, da daerah yag dtemat elektro bebas memuya kelebha muata egatf. Kedua muata lah yag memberka kotrbus adaya alra lstrk ada semkoduktor mur. Jka elektro vales dar kata kovale yag la megs lubag tersebut, maka aka terjad lubag baru d temat yag la da seolah-olah sebuah muata ostf bergerak dar lubag yag lama ke lubag baru. (a) 5 6 - * +. / 0 ) 1 / + 0 +. 3 / 4 3 (b) 7 8! " # $ % & ' ( ) * +, Gambar 6. a) Struktur krstal slko memerlhatka adaya sebuah kata kovale yag terutus da b) Dagram ta eerg meujukka terekstasya elektro ke ta koduks da meggalka lubag d ta vales Baha Semkoduktor 55
9 Proses alra muata, yag basa dsebut sebaga arus drft daat dtulska sebaga berkut Perstwa hatara lstrk ada semkoduktor adalah akbat adaya dua artkel masg-masg bermuata ostf da egatf yag bergerak dega arah yag berlawaa akbat adaya egaruh meda lstrk Akbat adaya dua embawa muata tersebut, besarya raat arus dyataka sebaga: J ( µ + µ ) ε = σε = q (6.1) dmaa da = kosetras elektro da lubag (m -3 ) µ da µ = mobltas elektro da lubag (m V -1 s -1 ) ( µ µ ) q σ = + = koduktvtas (S cm -1 ) Karea tmbulya lubag da elektro terjad secara seretak, maka ada semkoduktor mur, jumlah lubag sama dega jumlah elektro atau dtulska sebaga = = (6.) dmaa dsebut sebaga kosetras trsk. Beberaa roert dasar slko da germaum derlhatka ada tabel 6.1. Tabel 6.1 Beberaa roert dasar slko da germaum ada 300 K Proert Slko Germaum Eerg terlarag/ga (ev) 1,1 0,67 1 1 Mobltas elektro, µ (m V s ) 0,135 0,39 1 1 Mobltas lubag, µ (m V s ) 0,048 0,19 Kosetras trsk, (m 3 ) 1,5 10 16,4 10 19 Resstvtas trsk, ρ ( m) 300 0,46 56 ELEKTRONIKA DASAR
6. Semkoduktor Ekstrsk (Tak Mur) Kta daat memasukka egotor berua atom-atom dar kolom tga atau lma dalam tabel erodk (member dog) ke dalam slko atau germaum mur (lhat gambar 6.3). Eleme semkoduktor beserta atom egotor yag basa dguaka derlhatka ada tabel 6.3. Tabel 6.3 Eleme semkoduktor ada tabel erodk 6..1 Semkoduktor te- Semkoduktor te- daat dbuat dega meambahka sejumlah kecl atom egotor etavale (atmoy, hoshorus atau arsec) ada slko mur. Atom-atom egotor (doa) memuya lma elektro vales sehgga secara efektf memlk muata sebesar +5q. Saat sebuah atom etavale meemat oss atom slko dalam ks krstal, haya emat elektro vales yag daat membetuk kata kovale legka, da terssa sebuah elektro yag tdak berasaga (lhat gambar 6.3). Dega adaya eerg thermal yag kecl saja, ssa elektro aka mejad elektro bebas da sa mejad embawa muata dalam roses hatara lstrk. Materal yag dhaslka dar roses egotora dsebut semkoduktor te- karea meghaslka embawa muata egatf dar krstal yag etral. Karea atom egotor Baha Semkoduktor 57
memberka elektro, maka atom egotor dsebut sebaga atom door. Secara skematk semkoduktor te- dgambarka seert terlhat ada gambar 6.3. (a) (b) T ] J K L M T U V W X Y Z V W [ \ W \ U X N O P Q R N S K A B C D E D F G H I B f g f h ^ _ ` a b c ^ d ` d e a _ : ; < = > <? < @ j o k m k l Gambar 6.3 a) Struktur krstal slko dega sebuah atom egotor vales lma meggatka oss salah satu atom slko da b) Struktur ta eerg semkoduktor te-, erhatka letak tgkat eerg atom door. 6.. Semkoduktor te- Dega cara yag sama seert ada semkoduktor te-, semkoduktor te- daat dbuat dega meambahka sejumlah kecf atom egotor trvale (alumum, boro, galum atau dum) ada semkoduktor mur, msalya slko mur. Atom-atom egotor (doa) memuya tga elektro vales sehgga secara efektf haya daat membetuk tga kata kovale. Saat sebuah atom trvale meemat oss atom slko dalam ks krstal, terbetuk tga kata kovale legka, da terssa 58 ELEKTRONIKA DASAR
sebuah muata ostf dar atom slko yag tdak berasaga (lhat gambar 6.4) yag dsebut lubag (hole). Materal yag dhaslka dar roses egotora dsebut semkoduktor te- karea meghaslka embawa muata egatf ada krstal yag etral. Karea atom egotor meerma elektro, maka atom egotor dsebut sebaga atom asetor (accetor). Secara skematk semkoduktor te- dgambarka seert terlhat ada gambar 6.4. (a) y z { } ~ } z (b) ƒ Œ ƒ ˆ Š q r s Ž š œ Ž t s u v w x q ž Ÿ Gambar 6.4 a) Struktur krstal slko dega sebuah atom egotor vales tga meggatka oss salah satu atom slko da b) Struktur ta eerg semkoduktor te-, erhatka letak tgkat eerg atom asetor. Baha Semkoduktor 59
6.3 Geeras da Rekombas Proses geeras (tmbulya asaga elektro-lubag er detk er meter kubk) tergatug ada jes baha da temeratur. Eerg yag derluka utuk roses geeras dyataka dalam elektro volt atau ev. Eerg dalam betuk temeratur T dyataka dega kt, dmaa k adalah kostata Boltzma. Aalsa secara statstk meujukka bahwa robabltas sebuah elektro vales mejad elektro bebas adalah sebadg dega e ev G / kt. Jka eerg ga ev G berharga kecl da temeratur T tgg maka laju geeras termal aka tgg. Pada semkoduktor, elektro atau lubag yag bergerak cederug megadaka rekombas da meghlag. Laju rekombas (R), dalam asaga elektro-lubag er detk er meter kubk, tergatug ada jumlah muata yag ada. Jka haya ada sedkt elektro da lubag maka R aka berharga redah; sebalkya R aka berharga tgg jka terseda elektro da lubag dalam jumlah yag bayak. Sebaga cotoh msalya ada semkoduktor te-, ddalamya haya terseda sedkt lubag ta terdaat jumlah elektro yag sagat besar sehgga R aka berharga sagat tgg. Secara umum daat dtulska: R = r (6.3) dmaa r meyataka kostata roorsoaltas baha. Dalam kods setmbag, besamya laju geeras adalah sama dega besarya laju rekombas. Pada semkoduktor mur (slko atau germaum) berlaku atau g = g = R = r = r (6.4) = (6.5) atau dega kata la erkala kosetras elektro da lubag meghaslka suatu kostata, jka salah satu dakka (melalu roses dog), yag la harus berkurag. 60 ELEKTRONIKA DASAR
Jka kta meambahka atom egotor ada semkoduktor mur, rakts semua atom door atau asetor terosas ada suhu ruag. Pada semkoduktor te-, kosetras atom door N D >>, dega kosetras elektro sebesar N D (6.6) Dega demka kosetras lubag aka mejad megecl, yatu sebesar = N D (6.7) Dega cara yag sama ada semkoduktor te- berlaku N A da N A (6.8) dmaa N A = kosetras lubag ada te- = kosetras elektro ada te- = kosetras atom asetor 6.4 Dfus Jka kosetras dog tdak merata (ouform) maka aka ddaat kosetras artkel yag bermuata yag tdak merata juga, sehgga kemugka terjad mekasme geraka muata tersebut melalu dfus. Dalam hal geraka artket harus radom da terdaat grade kosetras. Msalya kosetras elektro ada salah satu ss bdag lebh besar dbadgka ss yag la, sedagka elektro bergerak secara radom, maka aka terjad geraka elektro dar ss yag lebh adat ke ss yag kurag adat. Geraka muata meghaslka arus dfus yag besamya sebadg dega grade kosetras d/dx. Keraata arus dfus karea alra elektro dberka oleh Baha Semkoduktor 61
J = qd d dx (6.9) dmaa D = kostata dfus utuk elektro (m s -1 ). Jka d/dx berharga ostf, geraka elektro ada arah -x meghaslka arus ostf ada arah +x. Dega cara yag sama utuk lubag deroleh J = qd d dx (6.10) Perlu dcatat bahwa masg-masg artkel yag bermuata bergerak mejauh baga yag memuya kosetras lebh tgg, amu geraka tersebut buka karea adaya gaya tolak. Seert halya ada mobltas, dfus meruaka eomea statstk sehgga berlaku ersamaa Este µ D = µ D = q kt (6.11) 6 ELEKTRONIKA DASAR