SEMIKONDUKTOR
1
Pengantar
2
What Is a Semiconductor? Istilah
Definisi
Konduktor
Semua bahan, sebagian besar logam, yang memungkinkan arus listrik mengalir melalui bahan tersebut
Insulator
Semua bahan yang tidak bisa mengalirkan arus listrik
Semikonduktor
Murni silikon atau campurannya, bahan dasar bagi sebagian besar transistor. Konduktivitas bahan dapat diubah dengan mencampur bahan silikon dengan bahan lain
3
Semiconductors
Bahan yang memiliki sifat tidak murni konduktor dan tidak murni insolator
Ia umumnya bersifat insulator pada suhu dekat 00C dan bersifat konduktor pada suhu kamar
Bahan umum semikonduktor
Dasar Intrinsik
Compound/gabungan ekstrinsik
4
Si - Silicon (most common) Ge - Germanium GaAs - Gallium arsenide GaP - Gallium phosphide AlAs - Aluminum arsenide AlP - Aluminum phosphide InP - Indium Phosphide
Kristal Padat Pada kristal padat, keteraturan atom terus berulang untuk semua struktur di dalam kristal Kristal silikon memiliki struktur latice seperti intan
Unit sel
5
Mengapa Silikon unik? Murah dan melimpah
Sifat unik: mekanik, kimia dan elektronik Bahan umum dikenal oleh manusia
SiO2: pasir, gelas Si berada pada Gol IV Mirip karbon (C) dan germanium (Ge) Mempunyai valensi 3s² dan 3p² 6
Hakikat Silikon Intrinsik Berbahan murni (bebas dopping) yaitu Si atau Ge Memiliki elektron valensi 4 dan membentuk ikatan kovalen dengan 4 atom tetangganya
7
Konduksi di Dalam Latice Semikonduktor Semikonduktor (Si dan Ge) memiliki 4 elektron terluar
2 di subkulit S 2 di subkulit P
Jika jarak diantara atom menjadi pendek subkulit menyebar menjadi pita energi Pada saat jarak terus menerus menjadi pendek, pita saling tumpang-tindih dan kemudian berpisah
8
Model kulit elektron tidak berlaku kembali, elektron dapat dianggap menjadi bagian dari kristal bukan bagian dari atom 4 elektron yang mungkin berada pada pita energi paling rendah (Pita Valensi) 4 elektron yang mungkin berada pada pita energi tertinggi (Pita Konduksi)
Pita Energi dalam Semikonduktor
9
Ruang diantara pita disebut Gap Energi atau Pita Terlarang
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor
Insulators memiliki gap energi tinggi
Conductors (logam) memiliki gap energi kecil (atau bahkan tidak ada sama sekali)
Elektron tidak bisa loncat dari pita valensi ke pita konduksi Tidak ada arus yang mengalir
Elektron mudah loncat dari pita valensi ke pita konduksi Arus mudah mengalir
Semiconductors memiliki gap energi pertengahan (diantara insulator dan konduktor)
10
Hanya beberapa elektron dapat loncat ke pita konduksi dengan meninggalkan “hole” Hanya sedikit arus yang dapat mengalir
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor
Pita Konduksi
Pita Valensi Konduktor 11
Semikonduktor Insulator
Muatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor
Electron dan “hole”
12
We knew about electron (e), but what is a hole (h)? Ketika elektron menerima cukup energi untuk loncat dari pita valensi ke pita konduksi, ia meninggalkan ruang/level kosong. Kondisi ini menciptakan Pasangan Elektron-Hole atau Electron-Hole Pair (EHP)
Arus hole disebabkan oleh sebuah elektron yang bergerak berlawanan arah pada pita valensi
Arus elektron adalah elektron yang bergerak dari tingkat ke tingkat pada pita konduksi
Pasangan Elektron-Hole
Terkadang energi panas (termal) mampu menyebabkan elektron loncat dari pita valensi ke pita konduksi
Menghasilkan electronhole pair (EHP)
Elektron juga “jatuh” kembali keluar dari pita konduksi menuju pita valensi, bergabung dengan hole
13
Pita Konduksi
pair elimination
pair creation
Pita Valensi
hole
electron
Charge carriers in semiconductors
Effective mass
14
Electrons in a crystal are not totally free. The periodic crystal affects how electrons move through the lattice. We use and effective mass to modify the mass of an electron in the crystal and then use the E+M equations that describe free electrons.
Muatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor: Massa Efektif
Effective mass/Massa Efektif
p mv k
E
k
15
1 2 2 2 E mv k 2 2m d 2E 2 2 dk m 2 m* 2 d E dk 2
Turunan kedua dari E adalah konstan/tetap Tidak semua semikonduktor memiliki struktur pita parabolik sempurna
Charge carrieMuatan Pembawa (Carries) dalam Semikonduktor: Massa Efektif
Massa Efektif
mn* mp*
16
Ge 0.55 m0 0.37 m0
Si 1.1 m0 .56 m0
GaAs 0.067 m0 0.48 m0
Bahan Intrinsik
Kristal semikonduktor sempurna
Tidak ada muatan pembawa pada 0oK
Tidak ada dopping dari unsur lain Pita valensi terisi penuh, pita konduksi kosong
Energi panas/termal: getaran latice dapat memutus ikatan kovalen dan mendorong elektron masuk ke pita konduksi Pergerakan elektron ini tetap pada beberapa latice mengikuti kaidah distribusi Mekanika Kuantum
n p ni Konsentrasi pita konduksi (elektron/cm3) Konsentrasi pita valensi (hole/cm3) 17
Bahan Ekstrinsik
Bahan intrinsik jarang dimanfaatkan, kecuali untuk piranti yang konduktivitasnya berubah berdasarkan perubahan optik atau termal. Salah satu cara adalah dengan menciptakan bahan ekstrinsik yaitu dengan mengganti atom semikonduktor pada latice dengan atom dari Gol yang berbeda (pada tabel periodik unsur) 18
II
Zn Cd
III B Al Ga In
IV C Si Ge
V
VI
P As Sb
S Se Te
Bahan Ekstrinsik
Intrinsik (Murni) Silikon Pada 0oKelvin kerapatan partikel 5 x 10²³ partikel/cm³ Silikon memiliki 4 elektron valensi Temperatur lebih tinggi menghasilkan muatan perbawa lebih tinggi.
“hole” ada karena ketidakhadiran elektron. Pada 23oC terdapat 10¹º partikel/cm³ partikel pembawa bebas 19
DOPING
2 jenis doping yaitu: Tipe-N dan Tipe-P
Tipe N N untuk negatif Atom Gol V dimasukkan Ada tambahan elektron valensi yang bebas bergerak di latice Tipe P P untuk Positif.
Atom Gol III dimasukkan Ada tambahan hole, elektron dari sekitar silikon bergerak untuk mengisi hole. 20
21
Gap Pita
Diantara pita konduksi dan valensi adalah wilayah tingkat energi terlarang, dimana elektron tidak boleh berada di wilayah ini. Wilayah ini disebut Gap pita E G Silikon pada suhu ruangan [in electron volts]: E G 11 . eV
Dimana:
1eV 1.602 10 19 joule
22
A LITTLE MATH n= jumlah elektron bebas
p= jumlah hole ni= jumlah elektron dalam silikon intrinsik =10¹º/cm³
pi- jumlah hole dalam silikon intrinsik = 10¹º/cm³ Muatan negatif bergerak = -1.6*10-19 Coulombs
Muatan positif bergerak = 1.6*10-19 Coulombs Ketesetimbangan termal (tidak ada tegangan yang terukur) n*p=(ni)2 (pendekatan suhu ruangan) Bahan disebut tipe-N jika memiliki 10¹º elektron bebas atau lebih (demikian pula untuk tipe-P) 23
SEKIAN
24
