ELEKTRONIKA Materi 4 : Fisika Semikonduktor
Oleh: I Nyoman Kusuma Wardana
Outline • Konduktor • Inti atom • Elektron bebas • Semikonduktor • Atom silikon • Ikatan kovalen • Penyatuan valensi • Hole • Rekombinasi & lifetime • Semikonduktor intrinsik • Semikonduktor ekstrinsik • PN junction Kusuma Wardana
Konduktor • Tinjaulah sebuah atom tembaga • Tembaga mrpkn konduktor yg baik • Struktur atom tembaga trdr dari 29 proton (muatan +) dgn 29 elektron (muatan -) • Elektron2 bergerak dlm suatu orbit tertentu
Kusuma Wardana
Konduktor • Susunan elektron: 2 elektron pd kulit pertama, 8 elektron pd kulit kedua, 18 pd kulit ketiga dan 1 pd kulit terluar • Orbit stabil krn gaya sentrifugal • Dlm elektronik, semua masalah ada dlm orbit terluar orbit valensi • Orbit ini mengontrol kemampuan elektrikal atom Kusuma Wardana
• Kulit-kulit electron diberi label K, L, M, N, O, P dan Q • Tiap2 kulit dibagi lagi menjadi sub-kulit
Kusuma Wardana
Konduktor • Utk tembaga, intinya adlh nukleus (+29) dan 3 orbit yg pertama (-28) abaikan orbit velensi • Jadi, net charge tembaga adlh +1 sebab meliputi 29 proton & 28 elektron dalam • Dorongan ke dalam elektron valensi sangatlah kecil • Elektron bebas sebuah dorongan keluar dpt dgn mudah mengeluarkan elektron2 dr atom tembaga • Elektron valensi = elektron bebas Kusuma Wardana
Semikonduktor • Konduktor terbaik satu elektron valensi • Insulator terbaik delapan elektron valensi • Semikonduktor : sebuah elemen dgn kemampuan listrik diantara konduktor dan isolator • Semikonduktor terbaik mempunyai 4 elektron valensi • Contoh semikonduktor : germanium & silikon Kusuma Wardana
Semikonduktor : Atom Silikon • Tinjaulah sebuah atom silikon • Atom silikon memiliki 14 proton & 14 elektron • Net charge +4 (karena 10 elektron dalam)
Kusuma Wardana
Kusuma Wardana
• Atom2 silikon bergabung mnjd satu-kesatuan membentuk struktur kristal. • Msg2 atom silikon membagi elektron2nya dgn 4 atom yg berdampingan & mempunyai 8 elektron dlm orbit valensi • Ikatan kovalen suatu tipe ikatan kimia dmn elektron2 mnjd sebuah ikatan diantara inti yg berlawanan Kusuma Wardana
Semikonduktor : Penyatuan Valensi • Setiap atom di dlm kristal semikonduktor memiliki 8 elektron valensi menghasilkan stabilitas ikatan kimia shg menjd padat • Ketika 8 elektron tdk berada dlm sebuah elemen cenderung mengkombinasikan & membagi2 elektron pd kulit terluar • Ketika orbit valensi mempunyai 8 elektron terjd penyatuan • Maka, orbit valensi hanya dpt diisi oleh tidak lebih dr 8 elektron Kusuma Wardana
Hole (Lubang) • Temperatur ambient (Ta) temp. yg mengelilingi udara • Jika Ta > suhu mutlak nol (-273oC) atom2 dlm kristal bergetar • Makin tinggi Ta makin keras getaran tsb. • Getaran ini dpt mengeluarkan elektron dr orbit valensi • Keberangkatan elektron tsb menimbulkan sebuah lubang hole Kusuma Wardana
• Lubang ini berlaku sprti muatan (+) sebab elektron yg hilang memproduksi muatan (+) • Lubang tsb dpt menarik & menangkap elektron disekitarnya dgn segera Kusuma Wardana
Rekombinasi & Lifetime • Dlm kristal silikon murni keberadaan energi panas setara dlm menciptakan elektron bebas dan hole • Elektron bebas bergerak secara acak dlm kristal dpt jatuh ke lubang • Rekombinasi Peristiwa bergabungnya elektron bebas dan hole • Lifetime jangka waktu antara muncul dan menghilangnya sebuah elektron bebas Kusuma Wardana
Yang terjadi dlm kristal silikon: 1. Beberapa elektron bebas dan hole dibangkitkan oleh energi panas 2. Beberapa elektron dan hole yg lain berekombinasi 3. Beberapa elektron dan hole masih menunggu sementara utk rekombinasi
Kusuma Wardana
Intrinsik Semikonduktor • Intrinsik semikonduktor semikonduktor murni • Kristal Silikon = semikonduktor murni jika setiap atom di dlm kristal adlh atom silikon • Dlm suhu ruang, kristal silikon bertindak sbg insulator hanya bbrp elektron bebas & lubang
Kusuma Wardana
Aliran Elektron Bebas & Hole • Tinjaualah sebuah sistem seperti pd gambar di bawah. • Elektron akan terdorong ke kiri, menuju lempengan positif, sebab trdapat gaya tolak-menolak antara elektron dgn piringan yg bermuatan negatif • Hole pd gambar menarik elektron valensi A sama saja dgn gerakan hole ke kanan • Lintasan hole A-B-C-D-E-F (aliran muatan positif) • Elektron & hole bergerak berlawanan arah
Kusuma Wardana
Doping (Penyuntikan) Semikonduktor • Doping penyuntikan utk menambah daya konduksi semikonduktor • Proses ini menambahkan atom2 yg tdk murni ke dlm kristal intrinsik • Semikonduktor ekstrinsik diperoleh melalui penyuntikan ini
Kusuma Wardana
Doping Elektron • Silikon disuntikan dgn elektron pentavalent ( mempunyai 5 elektron dlm orbit valensi). Contoh: arsenic, antimony, fosfor. • Ingat, atom silikon memiliki 4 elektron valensi. Setelah ditambahkan, akan menjadi 9 elektron. • Terdapat 1 kelebihan elektron (elektron bebas) sebab hanya terdapat max 8 elektron valensi utk mencapai kestabilan • Elektron pentavalent donor impurities Kusuma Wardana
Doping Hole • Doping dilakukan dgn menambahkan atom trivalent (memiliki 3 elektron valensi) • Contoh: boron, alumunium, galium • Sebuah atom trivalent dikelilingi oleh 4 atom silikon selanjutnya masing2 membagi eletronnya • Total 7 elektron valensi kekurangan 1 elektron (membentuk hole) • Atom trivalent acceptor atom Kusuma Wardana
Semikonduktor Tipe-n • 2 jenis semikonduktor ektrinsik tipe-n dan tipe-p • Diperoleh dgn menambahkan elektron pentavalent • Semikonduktor tipe-n elektron bebas melebihi jumlah hole • Elektron bebas sbg pembawa mayoritas & hole sbg penghantar minoritas
Kusuma Wardana
Semikonduktor Tipe-p • Silikon yg telah diisi dgn trivalent semikonduktor tipe-p • Hole melebihi jumlah elektron bebas • Hole merupakan pembawa mayoritas dan elektron bebas merupakan pembawa minoritas
Kusuma Wardana
• • • •
Diamond based semiconductors are a research and development Activity with considerable potential at this time. III-V compounds such as gallium arsenide. III-VI compound semiconductors include: AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1-xAs and InxGa1-xAs.
Kusuma Wardana
pn Junction • Bgmn jika pabrikan menempel setengah semikonduktor tipe-n dan setengahnya lg semikonduktor tipe-p? • Batas antara sambungan tipe-n&tipe-p disebut pn junction • Sambungan inilah awal penemuan dioda, transistor dan IC
Kusuma Wardana
Unbiased Diode • Msg2 lempengan bahan2 semikonduktor adalah netral sebab jumlah positif dan negatif adalah sama • Kedua jenis selanjutnya ditempelkan • Dioda = dua elektroda Kusuma Wardana
Depletion Layer • Elektron2 pd sisi n cenderung berpencar ke segala arah • Bbrp elektron bebas menyebar melalui sambungan • Segera memasuki daerah p, elektron akan jatuh ke hole • Ketika ini trjd, hole hilang & elektron bebas mnjd elektron valensi • Peristiwa ini menimbulkan ion. • Msg2 ion negatif dan positif disebut dipole • Krn terbentuknya dipole, daerah dekat sambungan menjadi mjd kosong muatan • Daerah ini lapisan deplesi Kusuma Wardana
Barrier Potential • Msg2 dipole mempunyai medan listrik antara ion negatif dan positif • Medan listrik antara ion-ion sama dengan perbedaan potensial • Hal inilah yg disebut sbg hambatan potensial (barrier potential) • Pada 25oC, hambatan potensial sebesar 0.3 V utk dioda germanium, dan 0.7 V utk dioda silikon
Kusuma Wardana
Bias Maju
• Sisi p dihub. dgn (+) baterai & sisi n dihub. dgn (-) baterai Kusuma Wardana
Bias Maju Aliran Elektron-elektron Bebas • Kasus: tegangan baterai < hambatan potensial • Elektron bebas tidak mempunyai cukup energi utk melewati daerah deplesi • Ketika mereka msk ke lapisan deplesi, ion2 tsb akan mendorongnya kembali menuju daerah n tdk ada arus yg melintasi dioda Kusuma Wardana
Bias Maju • Kasus: tegangan baterai > hambatan potensial • Baterai mendorong kembali lubang2& elektron2 bebas menuju sambungan • Elektron bebas mempunyai cukup energi utk melintasi sambungan dan bergabung dgn hole • Karena elektron2 bebas scr terus-menerus memasuki ujung kanan dioda & hole trcipta di ujung kiri tercipta aliran arus terus-menerus Kusuma Wardana
Bias Balik
• Terminal negatif baterai terhubung tipe p • Terminal positif baterai terhubung tipe n • Rangkaian ini menghasilkan reverse bias (bias balik) Kusuma Wardana
Bias Balik • Negatif baterai menarik hole • Positif baterai menarik elektron • Oleh karena itu, hole dan elektron bebas mengalir keluar sambungan menyebabkan lap. deplesi bertambah lebar • Tegangan reverse meningkat lap. deplesi bertambah lebar • lap. deplesi berhenti berkembang ketika perbedaan potensial sama dengan tegangan reverse Kusuma Wardana
Bias Balik Minority-Carrier Current • Pembawa arus minoritas (Minority-Carrier Current) merupakan arus kecil yg terjd ketika lap. deplesi telah stabil • Arus ini disebabkan oleh energi thermal (panas) • Energi panas terus-menerus menghasilkan pasangan elektron-hole di dlm lapisan deplesi maka ada arus kecil secara terus-menerus mengalir dlm rangkaian kuar. Kusuma Wardana
Bias Balik Surface-Leakage Current • Arus permukaan bocor (surface-leakage current) arus kecil yg mengalir pd permukaan kristal • Arus ini disebabkan karena permukaan yg tidak murni dan tidak sempurna dlm struktur kristal
Kusuma Wardana
Breakdown • Jika tegangan balik dinaikkan secara terus-menerus, maka akan sampai pd tegangan breakdown • Ketika tercapai teg.breakdownsebagian besar pembawa minoritas muncul dlm lapisan deplesi • Ketika teg.balik bertambah pembawa minoritas dipaksa utk bergerak lebih cepat • Ketika mempunyai cukup energi, pembawa minoritas akan memukul elektron valensi menghasilkan elektron bebas • Proses ini berlanjut sampai arus balik mnjd sangat besar Kusuma Wardana
Breakdown • Reverse voltage memaksa elektron bebas utk bergerak ke kanan • Jika elektron kecepatan tinggi mmpunyai cukup energi maka akan menggeser elektron valensi dlm atom ke orbit yg lebih luar • Hasil akhir dr proses ini adlh 2 elektron bebas • Dlm hal ini jumlah minoritas mnjd sangat banyak Kusuma Wardana
Daftar Pustaka • Malvino, A.P. 1989. Electronics Principles. McGraw Hill, New York. • Malvino, A.P. 1999. Prinsip-Prinsip Elektronika (terjemahan). Salemba Teknika, Jakarta. • http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_ 2/5.html
Kusuma Wardana
