SEMI KONDUKTOR
MAKALAH UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Ilmu Bahan Listrik yang dibina oleh Bapak Drs. Hari Putranto
oleh; Robi Ramandhani 110534406820
UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS TEKNIK PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO OKTOBER 2012
PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Mengingat bahwa semi konduktor sudah umum digunakan pada bahan komposisi elektronika dan pengunaannya yang luas seperti pada IC, Transistor, Dioda, LED dan sebagainya. Sehingga pada saat ini dibutuhkan tentang pengetahuan komposisi bahan dan akibat dari komponen saat teraliri arus listrik dan tegangan. Para pembaca diharapkan dapat mengerti tentang bahan penyusun semi konduktor sehingga tidak asing lagi tentang percampuran bahan atau doping.
B. TUJUAN Setelah
membaca
makalah
ini
pembaca
diharapkan
dapat
mengerti
tentang
pengelompokan bahan, pengertian semi konduktor dan penggunannya, bahan jenis pengkomposisi semi konduktor (bahan jenis P dan bahan jenis N). Mengetahui penerapan semi konduktor pada komponen semi konduktor yang berguna dan telah banyak dipakai rangkaian elektronika dan elektro dalam industri maupun rumah tangga.
DAFTAR ISI
Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Daftar Isi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Pembahasan A. Orbit-orbit Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 B. Tinjauan Umum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 C. Semi Konduktror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1) Pengertian Dasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2) Semi Konduktor Insintrik dan Eksintrik . . . . . . . . 11 3) Bahan-bahan Jenis-P dan Jenis-N . . . . . . . . . . . . . .16 4) Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda . . . . . . . . 27 Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
PEMBAHASAN A. ORBIT – ORBIT ELEKTRON Sekitar tahun 600 SM, orang-orang Yunani menemukan bahwa amber yang digosok mempunyai satu jenis muatan listrik dan gelas yang digosok mempunyai muatan listrik dari jenis yang lain. Dalam 1750 Franklin menyebut jenis yang pertama muatan yang positif dan jenis yang kedua muatan yang negatif. Dalam 189, Thomson menemukan elektro dan telah membuktikan, bahwa muatan negatif. Penemuan ini diikuti dengan penemuan proton, (bermuatan positif) dan neutron (tidak bermuatan). Dengan demikian sekarang kita mengetahui,bahwa bahan tersusun dari atom-atom denagn inti dipusat dan elektron yang mengelilinginya. Oleh karena itu inti mengandung proton dan neutron maka muatannya positif. Apabila sebuah atom bermuatan netral, Banyaknya elektron yang mengelilingi inti sama dengan banyaknya proton dalam inti.
1. Atom Boron Gaya–gaya dalam atom membatasi gerak–gerak elektron dalam satu daerah dalam dimensi tiga yang disebut kulit–kulit. Gambar dibawah atom Boron yang dipersederhana ini akan memberikan informasi yang sama dan lebih mudah untuk digambar. Perhatikan kelima proton yang ada didalam inti, kedua elektron didalam lintasan yang kecil dan ketiga elektron yang berada didalam lintasan yang besar.
Gb.I Dua Dimensi
Apabila digambar dalam dua dimensi sebuah kulit nampak sebagi sebuah lintasan yang melingkar. Selanjutnya kulit yang pertama kita sebut sebagai orbit yang pertama dan kulit yang kedua sebagai lintasan yang kedua sebagai lintasan yang kedua dan seterusnya.
2. Konduktor. Perak (disingkat Ag) mempunyai konduktivitas yang paling tinggi diantara logam-logam. Tembaga (Cu) mempunyai konduktivitas tertinggi nomor dua, selanjutnya emas (Au) mempunyai konduktivitas nomor tertinggi ketiga. Yang menyebabkan konduktivitas yang tinggi apabila kita memandang struktur atomnya atomnya yang diperlihatkan pada Gb.II. Inti atom mengandung 29 proton. Apabila atom tembaga secara listrik netral, dua elektron yang berada dalam dua orbt pertama, 8 ada dalam orbit yang kedua, 18 ada dalam orbit yang ketiga dan satu yang ada dikeempat. Inti yang positif menarik elektron-elektron yang terdekat daengan gaya yang paling besar. Gaya tarikan ini berkurang untuk orbit yang lebih besar. Memang satu elektron yang berada dalam satu orbit yang paling yang luar adalah demikian jauh dari inti, sehingga tidak merasakan gaya tarikan tersebut. Oleh gaya tarikan tersebut demikian lemah, maka elektron yang sering kali disebut elektron bebas. Dalam sepotong kawat tembaga, elektron bebas dapat dengan mudah berpindah dari satu atom ke atom yang didekatnya. Oleh karena itu maka sedikit saja tegangan diberikan melintas sepotong kawat tembaga sudah dapat menghasilkan arus besar.
29P
Gb.II Atom tembaga
Inti dan elektron-elektron dalam tidak penting bagi kita. Perhatian kita dalam sebagian dari buku ini pada lintasan yang palig luar, yang juga disebut lintasan valensi. Lintasan ini menentukan bagaimana sebuah atom bergabung dalam atom lainnya, bagaimana konduktivitas bahan ini dan sebagainya. Untuk menekan pentingnya lintasan valensi. Konduktror-konduktor yang terbaik (perak, tembaga dan emas) mempunyai tembaga inti seperti Gb.II. Gagasan pokoknya adalah satu elektron dalam lintasan yang besar yang mengelilingi inti. Oleh karena itu gaya tarikan inti lemah, elektron valensi yang terasing (dari elektron-elektron dalam) ini dapat dengan mudah berpindah bebas dari satu atom ke atom berikutnya.
3. Semikonduktor Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-contoh semikonduktor, yaitu bahanbahan yang tidak merupakan konduktor maupun isolator. Elektron-elektron yang mengelilingi tersebar dalam berbagai lintasan mengikuti pola: 2, 8, 18. . . . . 2n2
Di mana n adalah nomor lintasan. Bilangan-bilangan tersebut merupakan jumlah elektron paling banyak yang ada dapat berada dalam orbit ke- n. Dalam kata lain, dalam lintasan yang pertama maksimal terdapat dua elekron, dalam yang kedua delapan elektron dalam ketiga 18 elektron dan seterusnya. Dalam Ge, empat elektron tang terakhir berada dalam lintasan yang paling luar atau lintasan valensi Apabila elektron valensinya delapan, bahan tersebut bersifat isolator. Oleh karena itu banyaknya lintasan dalam elektron valensi merupakan petunjuk konduktivitas listrik. Konduktorkonduktor mempunyai satu elektron valensi, semikonduktor mempunya empat elektron valensi dan isolator mempunyai delapan elektron valensi.
B. TINJAUAN UMUM Setiap orang berkecimpung dalam lapangan keteknikan, misalnya tukang, ahli teknik, maupun pembuat desain, seharusnya mengetahui pengetahuan yang memadai mengenai bahanbahan yang berhubungan dengan pekerjaan mereka sehari- hari. Bagi mereka, memiliki pengetahuan mengenai jenis- jenis bahan dan sifat dari bahan- bahan adalah sangat perlu. Dengan pengetahuan tersebut mereka tahu bagaimana memerlukan bahan-bahan yang mereka pakai dengan sebaik-baiknya atau memanfaatkan dan menghindari penggunaan yang berbahaya. Mereka tahu apa yang harus dipakai untuk suatu maksud tertentu, dapat mencari alternatif bahan pengganti dan sebagainya. Bahan- bahan tersebut ada yang berbentuk padat, cair dan gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokan berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik bahan- bahan juga dapat dikelompokan sebagai berikut: 1) Bahan Besi, 2) Bahan Penghantar, 3) Bahan Penyekat, 4) Bahan Setengah Penghantar, 5) Bahan Magnetis, 6) Bahan Superkonduktor, 7) Bahan Nuklir, 8) Bahan khusus ( Bahan untuk pembuatan kontak- kontak, untuk sekering dan sebagainya)
Bahan pengantar (conductor) adalah bahan yang menghantarkan listrik dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (electrical conductivity) yang besar dan tahanan listrik yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi menghantarkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel, kumparan atau lilitan pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi atau distribusi. Dalam teknik listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan aluminium. Bahan Penyekat (insulating materials) adalah bahan yang berfungsi untuk menyekat (misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik atau kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tenbus yang tinggi. Bahan penyekat yang sering dijumpai dalam teknik listrik adalah gelas, keramik, mika, tekstil, perspan, plastic, karet, bakelit, ebonite dan sebagainya. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor material) adalah bahan yang mempunyai daya hantar lebih kecil dibanding konduktor, tetapi lebih besar dibanding bahan isolator. Dalam elektronika banyak dipakai semi konduktor dari bahan Germanium (Ge) dan Silikon (Si). Dalam keadaan aslinya Ge dan Si adalah bahan pelikan dan merupakan isolator. Dipabrik bahan-bahan tersebut diberi kotoran. Jika bahan tersebut dikotori oleh aluminium maka akan memperoleh baahn semi konduktor type P (bahan yang kekurangan elektron dan bersifat positf). Jika dikotori oleh phospor maka akan diperoleh jenis semi konduktor jenis N (bahan yang kelebihan elektron dan bersifat negatif). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi dibandind Si, sedangkan Si lebih tahan panas dibanding Ge. Bahan Superkonduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair. Dia menemukan tahanan listrik tiba- tiba hilang pada suhu 4, 1530 K. Sampai saat ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan masih banyak lagi panduan dan senyawa yang menunjukan sifat –sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar antara 10 sampai 190 K. Bahan –bahan lead (timah), tin (timah patri),aluminum dan mercry, pada suhu mendekati 00 K mempunyai sensitivitas nol. Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering digunakan sebagai bahan bakar reactor nuklir. Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan- bahan dalam keadaan dan kondisi terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunaakn sebagai bahan bakar nuklir yang dapat mengadakan fisi (pembelahan atom). Dalam bahan bakar nuklir digunakan bahan bakar uranium 235, plutonium-239, uranium-233
C. SEMIKONDUKTOR 1) Pengertian Dasar Sesuai dengan namanya, semi konduktor (setengah penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya antara harga daya hantar konduktor dan daya hantar isolator. Sifat tersebut dipengaruhi oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan. Pengetahuan mengenai hal tersebut perlu bagi setiap orang yang memilih profesi dibidang elektronika yang penggunannya tidak terbatas pada arus lemah saja. Adapun macam- macam dan penggunaan bahan semi konduktor antara lain seperti tabel dibawah ini:
Tabel I. Macam- macam Semi konduktor dan penggunannya. Nama Semi konduktor
Penggunaannya
Barium Titinate (Ba Ti)
Thermistor (PTC)
Bismut Telurida (Bi2 Te3)
Konvermasi thermoelektrik
Caldium Sulfida (Cds)
Sel foto konduktif
Gallium Arsenida (Ga As)
Dioda, Transistor, Laser,LED
Germaniun (Ge)
Dioda, Transistor
Indium Antimonida (In Sb)
Magneto Resistor,Plezo Resitor
Indium Arsenida (In As )
Plezo Resistor
Silikon (Si)
Dioda, Transistor, IC
Silikon Carbida (Si Cb )
Varistor
Germanium Silikon (Ge Si )
Pembangkitan Thermoelektrik
Selenium (Se)
Rectifier
Aluminium Stibium(Al Sb)
Dioda Penerangan
Gallium Phosphor (Ga P)
Dioda Penerangan
Indium Phosphor (In P)
Filter Infra Merah
Plumbun Suifur (Pb S)
Foto Sel
Plumbun Selenium (Pb S )
Foto Sel
Indium Subium (In Sb )
Detektor Infra Merah, Filter Infra Merah
Suatu hal yang penting untuk memahamisemikonduktor adalah proses konduksi elektronik. Konduksi elektronik bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi bahan. Pada konduktor, kedua pita tersebut saling menumpuk. Pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan tidak terlalu dekat danini memungkinkan tumpang tindih jika dipengaruhi, misalnya panas, medan magnet dan tegangan yang cukup tinggi. Jarak kedua pita tersebut adalah celah energi, seperti gambar dibawah ini:
Pita Konduksi Pita Konduksi 6 eV 0,2 S/D 5,3 eV Pita Valensi
Pita Valensi
Semi Konduktor
Konduktor
Isolator
Gb.III Celah energi pada bahan-bahan Dari Gb.III terlihat bahwa celah energi pada isolator intan adalah 6 eV dan intan merupakan bahan isolator dengan resistivitas yang tinggi. Jarak antara pita valensi dan pita konduksi juah sehingga walaupun elektron-elektron bebas pada pita konduksi sudah tereksistansi (terlepas dari orbitnya), elektron-elektron valensi tidak akan meloncat ke pita konduksi. Bahan konduktor celah energinya sempit sehingga kalau ada kalau ada elektron lepas dari orbitnya maka pada pita valensi akan segera mengisinya. Sedangkan bahan semi konduktor mempunyai celah energi yang lebih sempit dari pada isolator yaitu 0, 12 hingga 5, 3 eV. Misalnya, Si sebagai salah satu bahan semi konduktor mempunyai celah energy 1,1 eV. Oleh karena itu untuk menjadikan bahan semikonduktor agar dapat menghantarkan listrik dipelukan energi yang tidak terlalu besar.
2) Semi Konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik. Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor dari germanium (Ge) dan Silikon (Si). Germanium maupun Silikon murni adalah bahan pelican dan merupakan isolator. Pada semi konduktor intrinsik, timbulnya konduksi pada bahan-bahan tersebut disebabkan oleh proses intrinsik (misal karena energi termal) dari bahan dan tanpa adanya pengaruh bahan tambahan. Cara lain untuk mengubah Ge dan Si terbuat dari bahan semi konduktor adalah dengan mengotori bahan- bahan tersebut, misalnya dengan bahan Arsenikum (As) atau Boron (B). Bahan pengotor dari luar dari luar tersebut disuntikan pada bahan Ge dan Si. Proses penyuntikan bahan –bahan tersebut disebut dengan proses doping. Penambahan bahan tersebut pada semi konduktor murni dimaksudkan untuk meningkatkan konduktivitasnya. Dari hasil pengotoran atau doping itu diperoleh bahan semi konduktor jenis P dan jenis N. Bahan semi konduktor yang mendapat tambahan As akan menjadi semi konduktor jenis N dan yang mendapatkan tambahan jenis B akan menjadi semi konduktor jenis P.
Tabel II. Energi Ionisasi Bahan Pengotor Jenis- N Phospor Arsen Antinom Jenis- P Boron Aluminium Gallium Indium
Si ( eV) 0, 044 0, 049 0, 039 0, 045 0, 057 0, 065 0 ,16
Ge ( eV) 0, 012 0, 013 0, 010 0, 010 0,010 0, 011 0, 011
a.
Semi Konduktor Intrinsik.
Sebagai contoh; Si mempunyai celah energi 1eV ini adalah perkiraan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak ± 10A (10-10 m). Maka dari itu, diperlukan medan ± 1 V /10-10 m untuk memggeraknan elektron diatas bagian pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun gradien sebesar itu kurang praktis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga beberapa elektron yang melintasai celah energi dan hal ini menyebabkan terjadinya semi konduksi. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas bagian pita valensi ke bagian pita thermal adalhan penyebab konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut:
P (E) = 1 / (1 + e) (E –EF)/ KT . . . . . . . . . . (11- 1)
Dimana : Ef
adalah tingkat Fermi
K
adalah konstanta Boltzman sebesar 8, 64 .10-5
E- EF
adalah sama dengan Eg/ 2
Eg
adalah besaran energi thermal KT pada suhu kamar (0, 026 e V)
Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 11- 1 diatas dapat ditulis: P (E) = e (-Eg/ 2KT) . . . . . . . . . . (11- 2)
Pada suhu 00 C semua pita elektron berada di pita valensi. Pada daerah ini kemungkinan adanya elektron adanya didaerah 0 > E > EF adalah 100 % atau P(є) = 1; semua keadaan terdapat elektron. Untuk E > EF, P (E) = 0 kemungkinan elektron di daerah E > EF adlah 0 %, semua keadaan diatas EF adalah kosong kalau energy elektron E sama besarnya dengan kemungkinan P (E). Karena perpindahan elektron- elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut.Suatu semi konduktor intrinsik mempunyai pita lubang yang sama dengan pita valensi dsan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian, elektron yang lari ke pita valensi, misalnya karena panas dapt dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang Sama lubang- lubang pada pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan NH.
b. Semi konduktor Ektrinsik Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping. Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan meningkatkan konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P, As atau Sb.
Pada Gb. IV ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P. Pada gambar tersebut, 4 dari 5 elektron kelima dari atom P tidak mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan berputar mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah perbedaan yang penting. Elektron Bebas
Si Si
Si
Si
Si P Si
Si Si
Gb. IV Silikon yang didoping dengan phosphor
Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari Kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari Kristal dari perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira –kira 80 A0 dibandingkan 0, 5 A0 dari orbit hydrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas dari tingkat energinya berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita eksistansi Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semi konduktor. Tingkat energy dari elektron ke- 5 dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semi konduktor tipe n.
3) Bahan- bahan Jenis- P dan Jenis- N Kristal Ge murni terdiri dar 5 atom di mana tiap atomnya mempunyai 4 elektron bebas.
elektron
Gb. V. Germanium Murni Kalau 1 atom Ge diganti dengan 1 atom lain yang mempunyai 3 elektron bebas maka kristal germanium menjadi kekurangan 1 elektron (mempunyai hole) itu menjadi bahan jenis-P. Atom yang dipasang tadi (yang menimbulkan hole) disebut atom akseptor (sanggup menarik elektron). Sebagai atom akseptor adalah bahan atom boron, aluminium, gallium, indium. Letak atom akseptor pada celah energi lebih dekat pada pita valensi.
elektron
elektron
hole
Gb. VI. Bahan Jenis-P
Gb. VII. Bahan Jenis-N
Kalau atom yang menggantikan 1 atom Germanium tadi atom yang mempunyai 5 elektron bebas maka kristal Germanium mempunyai kelebihan 1 elektron. Atom yang menggantikan tadi disebut atom donor. Contoh atom donor adalah phosphor, arsen, dan antinomy. Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Germainum yang kelebihan 1 elektron tersebut disebut bahan jenis N. Bahan P banyak mengandung hole sedangkan elektron bebasnya sedikit hole merupakan mayoritas dan elektron merupakan minoritas. Bahan jenis ini berlaku pada akseptor (lebih banyak menarik elektron). Bahan jenis N banyak mengandung elektron bebas sehingga elektron bebas merupakan mayoritas dan hole sebagai minoritas. Oleh karena itu bahan jenis-N sanggup member banyak elektron bebas dan berlaku sebagai donor. Pada bahan semi kondukor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan elektron bebas. Pada bahan jenis P pembawa muatan adalah hole, sedang pembawa muatan pada bahan jenis N adalah elektron bebas. a) Persambungan P – N Pada suhu ruang, suatu semi konduktor tipe P mempunyai pembawa muatan dengan sebagian terbesar berupa lubang-lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak-murnian,dan sebagian kecil berupa elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energy terminal.Di pihak lain,dalam semikonduktor tipe n,sebagian terbesar dari pembawa muatan adalah elektronelektron bebas dan hanya mengandung lubang-lubang yang berjumlah kecil.Jika dipakai secara terpisah,baik semikonduktor tipe n maupun semikonduktor tipe p,masing-masing tidak lebih berguna dari sebuah penghambat (resistor) karbon.Tetapi,dengan memasukkan tak-murnian ke dalam suatu kristal sedemikian rupa hingga stengahnya bertipe n dan sisanya bertipe p,maka hasilnya berupa suatu penghantar satu arah.Pembahasan berikut ini akan menjelaskan mengapa demekian halnya.
Kita tinjau suatu atom yang netral.Atom ini mempunyai elektron dan proton yang sama jumlahnya.Misalkan bahwa ialah satu elektronnya disingkirkan.Sebagai akibatnya,atom tersebut mempunyai satu muatan positif dan disebut ion positif.Sebaliknya,jika suatu atom netral diberi satu elektron tambahan,atom akan bermuatan negative dan dikenal sebagai ion negatif.
p
n
Gb.VIII. Pembawa-pembawa mayoritas dan ion-ion.(a) lubang-lubang dan ion-ion negative.(b) Elektron-elektron bebas dan ion-ion positif.
Gb.VIII menunjukkan suatu semikonduktor tipe p.Masing-masing tanda plus merupakan lambang dari suatu lubang,sedangkan masing-masing tanda minus yang dilingkari itu merupakan representasi suatu atom akseptor yang mengandung lubang-lubang tersebut.Secara bersama lubang dan atom akseptor merupakan satuan yang netral.Namun bila suatu lubang menghilang karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron,maka atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negative yang berlebihan dan menjadi ion negative.Dalam keadaan yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1a,bahan tipe p tersebut bersifat netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda minus. Begitu pula dalam Gb.VIII telah ditunjukkan semikonduktor tipe n.Disini tanda minus melambangkan elektron bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan elektron bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan atom donor yang mengandung elektron bebas dalam orbitnya.Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor bersangkutan merupakan satuan yang netral.Jika salah satu elektron tersebut meninggalkan orbitnya dari sekeliling atom donor dan pindah kepada orbit atom lain,maka atom donor itu menjadi ion positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini tidak dapat bergerak leluasa karena terikat dalam struktur kristalnya.Dalam Gb XII, bahan tipe n itu bersifat netral karena mengandung tanda minus dan tanda plus yang berjumlah sama
Pokok-pokok untuk diingat: i.
Pada saat persambungan pn terbentuk, elektron-elektron bebas mulai berdifusi menyeberangi persambungan dan kemudian ”terjatuh” ke dalam lubang-lubang.
ii.
Rekombinasi elektron-elektron bebas dengan lubang-lubang disekitar persambungan menimbulkan daerah ion-ion negative dan positif yang disebut lapisan pengosongan.
iii.
Karena terjadi potensial barier,difusi elektron-elektron bebas akan berhenti akhirnya.
iv.
Pada suhu ruang, diode silicon mempunyai potensial barier kurang lebih sebesar 0, 7 V (sekitar 0, 3 V untuk diode Ge).
b.) Prategangan Maju Suatu kristal pn dapat bekerja sebagai diode karena arus didalamya hanya dapat mengalir dalam satu arah dan tidak sebaliknya.Untuk memahami mengapa demikian halnya, kita tinjau Gambar 2-3a.Perhatikan bahwa terminal negative dari baterai dihubungkan dengan sisi n dari kristal.Karena itu elektron-elektron bebas pada sisi n dari kristal.Karena itu elektron-elektron bebas pada sisi n ditolak ke a rah persambungan.Hubungan semacam ini disebut rangkaian prategangan maju (forward bias).
Arus Maju yang Besar Prategangan maju menyebabkan elektron-elektron bebas di sebelah n bergerak menuju ke persambungan.Kejadian ini akan meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal.Ion-ion positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai,yang selanjutnya mengalir dari terminal negative baterai kesebelah kanan kristal melalui kawat rangkaian.Karena terminal positif dari baterai dihubungkan dengan sisi p, lubang-lubang dari daerah p ditolak kea rah persambungan.Bilamana lubang-lubang ini bergerak kekanan,di ujung kiri kristal akan tertinggal ion-ion negative. Elektron-elektron valensi selanjutnya akan mengalir dari ion-ion negative ini ke dalam kawat yang dihubungkan dengan terminal positif dari baterai.Sewaktu elektron-elektron valensi ini meninggalkan tempatnya, lubang-lubang baru akan terbentuk pada ujung kiri kristal.
Kristal,elektron-elektron bebas dan lubang-lubang senantiasa bergerak menuju ke persambungan.Bersamaan dengan gerak itu,elektron-elektron bebas yang baru akan memasuki ujung kanan kristal dan lubang-lubang baru akan diciptakan pada ujung kirinya.Dengan demikian,sebelah n kristal selalu penuh dengan elektron-elektron bebas sedangkan sebelah p penuh dengan lubang-lubang.Elektron-elektron bebas yang menyeberangi persambungan dan bergabung kembali dengan lubang-lubang yang tiba dipersambungan. Sebagai hasilnya, arus yang kontinu akan berlangsung didalam kristal tersebut. Jika baterai dan dioda bersangkutan dihubungkan secara seri dengan suatu ammeter (pengukur arus), maka alat ini akan menunjukan adanya aliran arus dalam rangkaian. Tingkatan-tingkatan Energi Pengertian tentang gejala yang dibahas sebelumnya dapat diperbaiki secara lanjut jika gejala tersebut dapat dijelaskan dengan cara-cara lain.Tungkat energi elektron-elektron bebas pada diode akan dipertinggi dengan pemberian tegangan luar. Bila tegangan diberikan itu mencapai harga sekitar 0,7 V maka elektron pada sisi n dari persambungan akan memperoleh energi cukup besar untuk memasuki sisi p. Setelah masuk dalam daerah p, elektron bebasmenjadi pembawa minoritas yang mempunyai umur khas dalam pengukuran nanosekon. Karena itu, elektron bebas tersebut dengan cepat akan bergabung dengan lubang disekitarnya (lintasan A). Kemudian, elektron ini akan bergerak melalui lubang-lubang sebagai elektron valensi, sampai tiba di ujung kiri kristal. Ada kalanya suatu bebas bargabung dengan suatu lubang sebelum menyeberangi persambungan. Hal ini dapat terjadi sebagai berikut. Lepas dari tempat terjadinya rekombinasi, hasilnya adalah sama. Hasil tersebut berupa aliran tunak (steady) dari elektron-elektron bebas menuju ke persambungan dan bergabung dengan lubang. Elektron-elektron yang terperangkap itu (sekarang berubah menjadi elektron valensi) bergerak ke kiri dalam bentuk aliran tunak melelui lubang-lubang dalam daerah p. Dengan demikian terjadilah arus kontinu melalui diode yang bersangkutan.
c. Pra tegangan balik Apa yang terjadi bila polaritas tegangan itu dibalik arahnya. Dalam hal ini, elektronelektron bebas dan lubang-lubang akan bergerak menjauhi persambungan. Pola hubungan itu disebut rangkaian prategangan balik (reverse bias). Dengan pra tegangan balik, diode tidak lagi bekerja sebagai suatu penghantar.
Arus Balik yang Kecil Karena terminal positif dihubungkan dengan sisi n dan sisi p dihubungkan dengan terminal negatifnya, maka elektron-elektron bebas dan lubang-lubang untuk sementara waktu akan mengalir menjauhi persambungan. Hal ini akan memperlebar lapisan pengosongan sampai potensialnya menyamai tegangan terpasang. Dalam keadaan ini pembawa-pembawa mayoritas akan berhenti mengalir dan dalam beberapa nanosekon saja arus akan menurun samapi sekitar harga nol. Penyebabnya tegangan dalam kasus in berfungsi memperbesar pontensial barier dan dengan demikian menghalang proses aliran dengan poses rekombinasi pembawa mayoritas pada persambungan. Karena itu ammeter DC yang dihubungkan secara seri dengan baterai dan diode akan menunjukan arus yang kurang lebih sama dengan nol.
Tingkatan-tingkatan Energi Tegangan yang terpasang dari luar menurunkan pembawa tingkat-tingkat energi elektron bebas di sebelah n dari persambungan. Hal ini sebab tingkat-tingkat energi elektron bebas di sebelah n dari persambungan. Ini adalah sebab mengapa pita energi n menjadi turun jauh di bawah pita energi p. Dalam keadaan in elektron-elektron bebas tidak dapat menyeberangi persambungan karena orbit-orbitnya terlampau kecil untuk menyamai orbit-orbit yang lebuh besar pada sisi p.
Pembawa- pembawa Minoritas Pada suhu nol mutlak, hanya elektron-eletron bebas yang terdapat dalam bahan dan hanya lubang yang terdapat dalam n dan hanya lubang yang terdapat dalam bahan tipe p. Karena itu prategangan maju akan menghasilkan arus searah. Jadi, diode merupakan penghantar dalam arah maju dan merupakan isolator dalam arah sebaliknya. Diatas suhu mutlak, energi termal akan menghasilkan beberapa elektron bebas di sisi p dan beberapa lubang sisi n. Jika dioda diberi tegangan balik, maka pembawa-pembawa minoritas akan mengalir menuju ke persambungan dioda dan bergabung kembali ke situ. Setiap kali terjadi rekombinasi dipersambungan antara sepasang elektron bebas dan lubang yang dihasilkan secara thermal itu, maka seketika itu juga elektron bebas akan meninggalkan terminal negatif baterai dan memasuki ujung kiri kristal. Bersamaan dengan itu, elektron valensi akan meninggalkan ujung kanan kristal dan memasuki terminal positf baterai. Mengingat pembawa-pembawa minoritas akan dihasilkan oleh energi termal secara terus menerus, aliran yang dijelaskan diatas akan berlangsung secara kontinu pula. Jika suatu ammeter DC yang sangat peka dihubungkan secara seri dengan dioda dan baterai, maka alat tersebut akan menunjukan adanya arus DC yang sangat kecil dalam rangkaian luar itu.
Kebocoran Permukaan Selain arus pembawa minortas yang baru dijelaskan itu, pada permukaan kristal dapat terjadi arus balik yang kecil. Seba atom-atom pada permukaan kristal mempunyai ikatan kovalen yang terputus, maka “kulit” kristal itu penuh dengan lubang–lubang dan meruapakn saluran yang brhambatan tinggi bagi arus yang bersangkutan. Arus kebocoran permukaan ini tidak bergantung pada suhu tetapi bergantung pada tegangan. Makin besar tegangan balik yang diberikan, makin besar pula kebocoran permukaan itu.
Arus Balik Arus balik total adalah jumlah dari arus pembawa minoritas dan arus kebocora permukaan. Pada suhu ruang, arus balik yang terjadi sangat kecil dibandingkan dengan arus maju. Sebagai contoh dioda 1N914 (dioda silicon yang sering terdapat dipasaran) mempunyai arus balik sekitar 25 nA, pada pra tegangan balik sebesar 20 V. Kecuali untuk penerapanpenerapan yang sangat menuntut kecermatan-kecermatan, arus balik dari suatu dioda silikon biasanya diabaikan saja karena terlalu kecil pengaruhnya. Perbandingan Silikon terhadap Germanium Kita tinjau kembali gambaran tentang celah terlarang antara celah valensi dan pita konduksi. Dari waktu ke waktu, suatu elektron valrnsi akan pindah le dalam pita konduksi dengan bantuan energi themal. Peristiwa ini akan menciptakan suatu elektron bebas dari suatu lubang yang akan memperbesar aus pembawa minoritas. Celah terlarang dari silikon lebih besar daripada celah terlarang germanium. Dengan kata lain germaiun lebih peka dari pada silikon terhadap kenaikan suhu. Ini adalah sebab mengapa dioda silikon mempunyai arus balik yang lebih kecil dari pada dioda germanium dan ini pula sebabnya silikon dan bukan germanium yang telah menjadi menjari standart industri.
4. Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda Semikonduktor Kalau anoda (bahan jenis p) dari diode dihubungkan dengan kutub positif baterai, sedangkan katodanya (bahan n) dihubungkan dengan kutub negative baterai maka arus listrik mengalir lewat dioda; arus dari kutub (+) baterai lewta anoda, lewat katoda dan kembali ke kutub negatif baterai. Sebaliknya jika anoda dihubumgkan dengan kutub negatif baterai dan katoda dihubungkan dengan kutub positif baterai maka tidak akan ada arus yang mengalir.
Sebuah dioda mempunyai karakteristik yang menyatakan hubungan antara arus dan tegangannya. Karakteristiek perlu diketahui sehungga dioda dapat dipergunakan sesuai dengan kebutuhannya. Ada 2 macam karakteristik dioda, yaitu karakteristik catu maju dan terbalik. Berikut alat-alat atau komponen yang menggunakan bahan semi konduktor;
a.
Dioda Zener (Zener Dioda) Dioda zener adalah diode yang bekerja pada daerah zener (dapat melakukan arus yang berubah pada suatu tegangan tertentu). Gunanya untuk membuat suatu tegangan pada suatu rangkaian tetap stabil.
b.
Dioda Cahaya (Light Emitting Dioda / LED) Dioda cahaya adalah salah satu jenis dioda yang apabila diberi tegangan maju akan menimbulkan cahaya pada sambungan pn-nya.
c.
Dioda Foto Dioda foto adalah suatu diode tergantung
yang tahanan terbaliknya berubah-ubah
tergantung kuat cahaya yang ada padanya (dioda foto diberi terbalik). d.
Transistor (Junction Transistor) Adalah beberapa jenis transistor, tapi yang dipakai sebagai dasar adalah transistor yang terbuat dari lapisan-lapisan NPN dan PNP. P
N
N
P
Gb. IX Transistor Jenis PNP
P
N
Gb. X Transistor Jenis NPN
Kenyataannya bahan-bahan transistor tidak dapt dilukiskan simetris, artinya pada transistor PNP bahan P yang dan yang ada di kanan tidak dapat saling dipertukarkan. Demikian juga bahan N pada transistor NPN; karena masing-masing ujung mempunyai nama, arah arus dan sambungan sudah tertentu.
DAFTAR PUSTAKA
Darsono dan Suhadi. 1977. Ilmu Bahan Listrik I. Jakarta: Proyek Pengadaan Buku Pendidikan Menegah Teknologi. Muhaimin. 1991. Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik. Jakarta: Andi Offset. Sumanto, Drs. 1996. Pengetahuan Bahan untuk Mesin dan Listrik. Jakarta: Andi Offset. Barmawi Malvino, Tjia. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semi Konduktor (Pengantar Transistor Rangkaian Terpadu). Jakarta: Erlangga.
