Semikonduktor • Definisi I: Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni sebesar 10-6 s.d. 104 ohm.m • Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator: Bahan Tembaga
Hambatan Jenis Sifat (ohm.m) Konduktor 1,7 x 10-8
Silikon pd 300oK
2,3 x 103
Semikonduktor
Gelas
7,0 x 106
Isolator
Tiga buah bahan yakni tembaga, silikon, dan gelas masing-masing memiliki panjang 1 m, dan diameter 1mm, jika pada kedua ujung bahan tersebut terpasang tegangan 10V, tentukan besarnya arus yang lewat masing-masing bahan tersebut! Jawab: Hitung dulu R dengan rumus:
l R=ρ A
A = πr
2
D r= 2
Selanjutnya dihitung I untuk masing-masing bahan dengan rumus:
V I= R
i=0,46 x 10 3 A Tembaga i= 3,41 x 10 -9 A Silikon i=1,12 x 10 -12 A Gelas Perhatikan! Arus yang mengalir pada bahan-bahan tersebut dari yang terbesar adalah pada konduktor (tembaga), semikonduktor (silikon), dan isolator (gelas)
10V
Semikonduktor • Definisi II: Bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV Elektron bebas
Pita Konduksi
Pita Konduksi
Pita Terlarang
EG ≈ 1eV
Hole Pita Valensi KONDUKTOR
Pita Valensi
SEMIKONDUKTOR
ISOLATOR
EG ≈ 6eV
Bahan-bahan Semikonduktor • TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atomatom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In) • TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge) • PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb)
Bahan-bahan 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 `masing-masing 4 buah • Jenis ikatan kovalen
Jenis Semikonduktor: Intrinsik • Semikonduktor Intrinsik Merupakan semikonduktor murni dan tidak cacat , contoh Silikon Murni Si
Elektron Valensi
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
Ikatan Kovalen Si Si Si
Si
Visualisasi 3-dimensi
Visualisasi 2-dimensi
Struktur kristal Si: pengulangan secara teratur satuan sel 3 dimensi berbentuk tetrahedral
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)
Elektron Bebas +4
+4
+4
+4
+4
+4
Hole +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
Elektron Bebas
Pita Konduksi EG ≈1,2eV
Pita Terlarang
EG ≈1,1eV
Hole
Pita Valensi Si pada OoK
Si pada 300oK
Sifat bahan Silikon dan Germanium (milman, 1986)
Sifat
Si
Ge
14
32
Berat atom
28,1
72,6
Kerapatan, gr/cm3
2,33
5,32
12
16
5,0 x 1022
4,4 x 1022
Jurang tenaga (EG) pada 0oK, eV
1,21
0,785
Jurang tenaga (EG) pada 300oK, eV
1,1
0,72
1,5 x 1010
2,5 x 1013
230.000
45
Mobilitas elektron pada 300oK (µn), cm2/V.s.
1.300
3.800
Mobilitas elektron pada 300oK (µp), cm2/V.s.
500
1.800
Nomor atom
Konstanta dielektrik Atom/cm3
Konsentrasi Intrinsik (300oK), ni, cm-3 ρ intrinsik pada 300oK, ohm.cm
Pembawa Muatan Pada Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor Intrinsik
Medan Listrik Terpasang, E
Generation
+4
+4
h1 +4
e2
+4
+4
+4
e1
+4
e2
e1
+4
+4
+4
h2
+4
+4
+4
+4
+4
en
+4
+4
en +4
h0
Recombination Keadaan Terdahulu
Keadaan Kemudian
Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik • Semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing • Semikonduktor Tipe-N
Pengotoran oleh atom pentavalent spt P, As, Sb
• •
Atom pengotornya disebut atom donor Pembawa muatan: elektron
•
Pengotoran oleh atom
Semikonduktor Ekstrinsik
trivalent spt B, Ga, In Semikonduktor • Tipe-P
•
Atom pengotornya disebut atom akseptor Pembawa muatan: hole
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=1:106 s.d. 108 Dopant adalah atom pengotor. Atom-atom dopant pada semikonduktor tipe-N adalah atom-atom pentavalent dan dinamakan atom donor, sedangkan pada semikonduktor time-P trivalent dan dinamakan atom akseptor.
Semikonduktor Tipe-N Elektron Bebas +4
+4
+4 Pita Konduksi
+4
+5
+4
EG
Tingkat energi donor 0,05eV
As
EC ED EV
Pita Valensi +4
+4
+4
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.
Semikonduktor Tipe-P Hole
+4
+4
+4 Pita Konduksi EC
+4
+3
+4
EG
Tingkat energi akseptor 0,05eV
In
EA EV
Pita Valensi +4
+4
+4
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.
Piranti Semikonduktor • Beberapa piranti semikonduktor: diode pertemuan pn, transistor, termistor, SCR (silicon controlled rectifier), IC (Integrated Circuit)
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.
Pertemuan PN Atomatom Akseptor
Atomatom Donor
Doping
Doping
Kristal Tunggal Semikonduktor
Hasilnya: Type-P
Type-N
Diode Pertemuan PN Kawat
Kawat PERTEMUAN PN Type-P Type-N
Logam
Pembungkus
Logam
Hasilnya:
Anode
Simbol:
Katode
Pertemuan PN Terbuka Bidang Pertemuan Ion Akseptor Ion Donor
Hole
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
-
-
-
-
-
-
+ + + + + +
Jenis p
Lapisan Pengosongn
Elektron
Jenis n
• Atom-atom yang mengandung hole dapat digambarkan sebagai ion-ion negatif karena kekurangan elektron, dan atom-atom yang kelebihan elektron sebagai ion positif • Ion-ion akseptor adalah ion-ion negatif dan ion-ion donor adalah ion-ion positif.
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
Pertemuan pn dengan prasikap maju (forward bias): VD
Anode
Jenis P
-
+
-
+
-
+
-
+
Jenis N
Katode
Lapisan Pengosongn
E
• • • • • •
Adanya VD menyebabkan arus difusi lebih besar dari arus drift Jika potensial penghalang sebelum diberi VD adalah Vo, maka potensial penghalang turun menjadi Vo-VD, 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
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 Vo+VD, 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 10-14 A.
