ELEKTRONIKA Bab 2. Semikonduktor DR. JUSAK
Konduktor Konduktor adalah sebuah bahan/elemen yang mempunyai kemampuan menghantarkan listrik. Salah satu contoh bahan koduktor adalah tembaga. Nukleus atom tembaga terdiri dari 29 proton (bermuatan positif) dan 29 elektron (bermuatan negatif) yang mengelilingi nukleus dalam orbit distinct (shells) 29 Inti atom Tembaga (Cu) 2
Orbit Stabil Nukleus positif (lihat gambar di atas) menarik elektron planetary. Diimbangi dengan gerak melingkar dari elektron menyebabkan elektron tidak jatuh ke dalam nukleus. Orbit yang lebih besar dari elektron akan mengalami gaya tarik yang lebih kecil dari nukleus. Pada orbit ini elektron berjalan lebih lambat dan menghasilkan kekuatan centrifugal yang sedikit. Dalam elektronik semua masalah ada pada orbit terluar yang disebut orbit valensi. Orbit ini mengontrol kemampuan elektrikal atom. 3
Orbit Valensi Untuk menekankan pentingnya orbit valensi, kita definisikan inti sebuah atom terdiri dari nukleus dan semua orbit bagian dalam. Sebuah atom tembaga, intinya berupa nukleus (29) dan elektron pada tiga orbit pertama ( 28). Ini berarti inti atom tembaga mempunyai muatan (net charge) 1. Elektron valensi tembaga berada pada orbit ke4 dari inti yang mempunyai net charge 1 dan karenanya tarikan ke dalam orbit valensi sangat kecil. 1 Orbit valensi atom Tembaga (Cu) 4
Elektron Bebas Karena daya tarikmenarik antara inti dan valensi elektron sangat lemah, maka sebuah dorongan lemah dapat dengan mudah mengeluarkan elektron valensi dari inti atom tembaga. Sehingga elektron valensi pada tembaga disebut juga sebagai elektron bebas. Jadi elektron bebas adalah sebutan bagi elektron valensi yang dapat dengan mudah mengeluarkan elektronelektronnya dari inti atom. Inilah sebabnya, tembaga disebut sebagai konduktor, karena electron dapat bergerak dari satu atom ke atom lain dengan tegangan yang kecil. Perpindahan electron menyebabkan adanya arus listrik. 5
Semikonduktor Konduktor terbaik (emas, perak, tembaga) mempunyai satu elektron valensi, sedang isolator terbaik mempunyai delapan elektron valensi. Semikonduktor adalah sebuah elemen yang mempunyai kemampuan melewatkan listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktor terbaik mempunyai empat elektron valensi. 6
Contoh Bahan Semikonduktor Germanium Merupakan salah satu contoh semikonduktor dan mempunyai empat elektron valensi. Tetapi bahan yang sangat baik untuk semikonduktor ini mempunyai kekurangan yang fatal yaitu yaitu arus balik yang sangat besar. Silikon Silikon merupakan elemen yang banyak di dunia selain oksigen. Selain itu banyak keunggulan silikon dibandingkan germanium sebagai bahan semikonduktor. Sehingga silikon dijadikan pengganti germanium. 7
Silikon Sebuah atom silikon mempunyai 14 proton dan 14 elektron. 2 elektron di orbit pertama, 8 elektron di orbit kedua dan 4 elektron sisanya di orbit valensi. Inti atom silikon mempunyai muatan netto 4, 14 proton dalam nukleus dan 10 elektron dalam dua orbit pertama. 14 4 Inti atom Silikon (Si) 8
Kristal Silikon Kristal silikon adalah sebuah bentuk hasil bergabungnya atomatom silikon menjadi satu kesatuan yang membentuk ikatan kovalen. Dengan bergabungnya atomatom silikon, masingmasing atom membagi 4 elektron valensinya dengan 4 atom yang berdampingan. Sehingga setiap elektron dapat memiliki 8 elektron dalam orbit valensi. Inti atom Kristal Silikon 9
Penyatuan Valensi Ketika orbit valensi mempunyai 8 elektron dan hanya dapat diisi oleh tidak lebih dari 8 elektron maka terjadilah penyatuan valensi. Delapan elektron dalam orbit valensi menghasilkan sebuah stabilitas kimia yang mengakibatkan bahan silikon menjadi padat. Ikatan kovalen pada Silikon 10
Hole Ketika temperatur ambient (temperatur disekitar benda) dibawah temperatur mutlak nol (273 o C), energi di dalam udara menyebabkan atomatom dalam kristal bergetar. Jika temperatur ambient lebih tinggi maka getaran menjadi lebih besar. Getaran dapat menyebabkan elektron valensi bergerak menuju ke orbit yang lebih besar (lihat gambar). Elektron ini disebut elektron bebas. Terlepasnya elektron dari orbit valensi ini menimbulkan kekosongan yang disebut hole. Hole ini bertingkah seperti sebuah muatan positif, sebab elektron yang hilang memproduksi ion positif. 11
Hole (2) Hole yang timbul akan menarik dan menangkap elektron yang ada di sekitarnya. Adanya hole inilah yang membedakan karakteristik semikonduktor dan konduktor. Namun, jumlah hole yang ditimbulkan akibat energi panas dalam temperatur ruang hanya sedikit. Karena itu untuk menambah jumlah hole diperlukan penambahan bahan lain (dope) pada Silikon. 12
Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni, yang mana setiap atom di dalam kristal adalah atom silikon. Dalam suhu ruang sebuah silikon kristal bertingkah seperti isolator karena hanya memiliki beberapa elektron bebas dan hole yang dihasilkan oleh energi panas. 13
Aliran Elektron Bebas dan Hole Gambar di samping menunjukkan sebuah kristal silikon diantara piringan metalik bermuatan. Asumsikan bahwa energi panas telah memproduksi sebuah elektron bebas dan sebuah hole. Elektron bebas yang berada di orbit besar awalnya berada di sebelah kanan kristal. Elektron akan ditolak eleh piringan negatif dan bergerak ke kiri dari satu orbit ke orbit yang lain sampai ke piringan positif. A C D F B E 14
Aliran Elektron Bebas dan Hole (2) Perhatikan hole pada gambar di atas, hole ini akan menarik elektron valensi di titik A. Saat elektron di A bergerak ke kiri, menimbulkan hole baru yang akan menarik elektron valensi di sebelah kanannya. Dalam hal ini elektron valensi bergerak mengelilingi garis edar seperti ditunjukkan anak panah. Hal ini berarti pula hole bergerak pada arah yang berlawanan (ABCDEF) sama seperti muatan positif pada konduktor. Jadi hole bergerak berlawanan arah dengan arah gerak elektron. 15
Aliran Elektron Bebas dan Hole (3) Gambar di atas menunjukkan sebuah semikonduktor intrinsik dengan jumlah elektron bebas dan hole yang sama akibat energi thermal. Pemasangan baterai akan memaksa elektron bebas bergerak ke kiri dan hole ke kanan menuju baterai pada kutub positif dan negatif. Di pihak lain elektronelektron dari kutub negatif baterai akan bergerak menuju sisi kanan kristal. Disini berarti terdapat dua aliran, aliran elektron bebas dan aliran hole. _ 16
Penyuntikan (Doping) Silikon Salah satu cara untuk menambah daya konduksi semikonduktor adalah dengan menyuntik (doping). Hal ini dilakukan dengan menambahkan atomatom lain ke dalam kristal intrinsik (murni) untuk merubah daya konduksi elektrikalnya. Semikonduktor yang telah didoping ini disebut semikonduktor ekstrinsik. 17
Dua Jenis Penyuntikan Silikon Menambah elektron bebas dengan dopping atom pentavalen (memiliki 5 elektron valensi), misal : arsenic, antimony, dan phosphorus. Menambah jumlah hole dengan doping atom yang memiliki 3 elektron valensi, misal : aluminium, boron, dan gallium. 18
Semikonduktor Ekstrinsik Berdasarkan 2 jenis doping seperti dijelaskan di atas, maka ada 2 macal semikonduktor ekstrinsik, yaitu semikonduktor typen dan typep. Typen Silikon yang didoping dengan atom pentavalen (memiliki kelebihan elektron) dinamakan semikonduktor typen (negatif). Elektronelektron bebas dinamakan pembawa mayoritas dan holehole dinamakan penghantar minoritas. 19
Semikonduktor Ekstrinsik (2) Pada semikonduktor typen, jumlah elektron bebas lebih banyak daripada jumlah hole. Apabila tegangan diberikan, maka electron bebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan. 20
Semikonduktor Ekstrinsik (3) Typep Silikon yang didoping dengan atom trivalen (memiliki kelebihan hole) dinamakan semikonduktor typep (positif). Holehole dinamakan pembawa mayoritas dan elektronelektron bebas dinamakan pembawa minoritas. 21
Semikonduktor Ekstrinsik (3) Pada semikonduktor typep, jumlah hole lebih banyak daripada jumlah electron bebas. Apabila tegangan diberikan, maka elektron bebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan. Namun karena jumlah elektron bebas sangat sedikit, maka aliran elektron hamper tidak membawa dampak apaapa bagi rangkaian. 22
Dioda Tak Bias Pada dasarnya sebuah lempeng semikonduktor tipen atau tipep berfungsi seperti sebuah resistor karbon. Tetapi ketika sebuah kristal merupakan perpaduan setengahnya berupa semikonduktor tipep dan setengahnya lagi tipen, maka muncullah sesuatu yang baru. Batas antara tipen dan tipep disebut sambungan pn. Dari sinilah awal munculnya dioda, transistor, dan rangkaian terpadu (IC). 23
Dioda Tak Bias (2) Sebuah silikon kristal yang diinjeksi dengan atom trivalen menghasilkan satu hole. Dapat digambarkan sebagai sebuah lempeng semikonduktor tipep (lihat gambar sebelah kiri), tanda minus dalam lingkaran menunjukkan atom trivalen dan tanda plus adalah hole dalam orbit valensi. Di sebelah kanan adalah semikonduktor tipen dengan atom pentavalen (tanda plus dalam lingkaran) dan elektron bebas dalam orbit valensi. Masingmasing lempeng semikonduktor secara elektrikal adalah netral sebab jumlah plus dan minus sama. 24
Dioda Tak Bias (3) Semikonduktor tipep sebelah kiri dan semikonduktor tipen sebelah kanan. p n 25
Dioda Tak Bias (4) Bila dua kristal semikonduktor tipen dan tipep digabungkan akan dihasilkan kristal tunggal dengan dua tipe. Tipen di satu sisi dan tipep di sisi lain. Sisi bertemunya dua tipe ini disebut sebagai sambungan pn. Dan dari sinilah muncul istilah dioda yang merupakan sigkatan dari dua elektroda, nama lain dari pn kristal. p n 26
Depletion Layer (Lapis Deplesi) Ketika lapisan tipep dan tipen disambungkan, maka elektronelektron bebas pada sisi n cenderung berpencar ke segala arah dan beberapa melewati sambungan. Ketika elektron memasuki daerah p, elektron bebas jatuh ke dalam hole. Karena begitu banyaknya hole, maka elektron yang memasuki daerah p akan memiliki waktu hidup pendek. ION 27
Lapisan Deplesi Saat elektron meningggalkan daerah n, ia meninggalkan atom pentavalen menjadi sebuah ion positif. Sedang atom trivalen di sisi p yang menangkap elektron menjadi ion negatif. Ionion ini tetap dalam struktur kristal karena adanya covalent pengikat. Masingmasing pasangan ion negatif dan ion positif dalam sambungan disebut dipole. Dipole berarti bahwa sebuah elektron dan sebuah hole telah terambil. Karena terbentuknya sejumlah dipole maka daerah dekat sambungan pembawa menjadi kosong dan disebut sebagai lapisan deplesi. 28
Barrier Potential (Tegangan Penghalang) Masingmasing dipole mempunyai medan listrik antara ion positif dan negatif. Hal ini menyebabkan jika ada elektron bebas yang memasuki daerah deplesi akan didorong kembali ke tempat asalnya. Medan listrik ini sama dengan perbedaan potensial dan disebut sebagai Tegangan Penghalang. Pada temperatur 25 o C, besarnya hambatan potensial ini 0,3V untuk dioda germanium dan 0,7V untuk dioda silikon. 29
Dioda Bias Maju Dioda di bias maju (forward bias) dihasilkan dari dioda yang dihubungkan dengan sumber DC, dimana kutub positif sumber dihubungkan dengan elemen tipep dan kutub negatif sumber dihubungkan dengan elemen tipen. Tegangan dari baterai akan mendorong holehole dan elektronelektron bebas pada dioda menuju sambungan. Jika tegangan baterai lebih besar dari hambatan potensial dioda, menyebabkan elektron bebas mempunyai cukup energi untuk melintasi daerah deplesi dan bergabung dengan hole. 30
Dioda Bias Maju (2) Setelah bergabung dengan hole maka elektron menjadi elektron valensi. Elektron valensi ini akan terus bergerak ke kiri dan akan meninggalkan dioda menuju kutub positif baterai. Hal ini berarti hole baru akan muncul dan elektron dari kutub negatif baterai akan masuk dioda, begitu seterusnya. 31
Dioda Bias Mundur Dioda dibias mundur (reverse bias) bila kutub positif baterai dihubungkan dengan elemen tipen dioda dan kutub negatif baterai dihubungkan dengan elemen tipep dioda. Kutub positif baterai akan menarik elektron bebas dan kutub negatif akan menarik hole menjauhi lapisan deplesi. Jika tegangan reverse meningkat maka lapisan deplesi menjadi bertambah lebar. 32
Dioda Bias Mundur (2) Pada saat lapisan deplesi telah mencapai kestabilan. Arus balik dalam kapasitas kecil mengalir. Arus balik ini disebut arus saturasi. Arus balik ini sangat kecil, sehingga di dalam aplikasi kita tidak terlalu memperhatikannya. Jadi dapat disimpulkan, pada saat dibias mundur arus dalam dioda mendekati nol. Pengukuran hambatan dioda dengan OhmMeter 33
Tegangan Patah (Breakdown Voltage) Jika tegangan bias mundur pada dioda terus ditingkatkan, maka pada akhirnya akan sampai pada tegangan patah dioda. Umumnya tegangan patah ini sebesar 50V. Saat tegangan patah tercapai, sebagian besar pembawa minoritas tibatiba muncul dalam lapisan deplesi. Sehingga dioda tak ubahnya menjadi sebuah konduktor. Pembawa minoritas ini diproduksi oleh efek longsoran yang terjadi akibat tegangan balik yang sangat tinggi. 34
Tegangan Patah (2) p n V Gambar di atas menunjukkan hal yang terjadi pada lapisan deplesi. Bias balik memaksa elektron bergerak ke kanan. Selama bergerak, elektron memperoleh kecepatan. Arus balik menjadi lebih besar, elektron bergerak makin cepat. Jika elektron ini mempunyai cukup energi, ia dapat menumbuk dan menggeser elektron valensi dalam atom pertama ke orbit yang lebih luas. Akibatnya terdapat dua elektron bebas. Jika ini berlangsung terus maka jumlah pembawa minoritas meningkat dan dioda menjadi rusak. 35