Semikonduktor
• Definisi I: Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni
sebesar 10
-6s.d. 10
4ohm.m
• Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator:
Bahan Hambatan Jenis (ohm.m)
Sifat Tembaga 1,7 x 10-8 Konduktor
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:
Selanjutnya dihitung I untuk masing-masing bahan dengan rumus:
R = ρ A l
R I = V
r
2A = π
2
r = D
Tembaga
Silikon
Gelas
10V
i=0,46 x 103 A
i= 3,41 x 10-9 A
i=1,12 x 10-12 A
Perhatikan! Arus yang mengalir pada bahan-bahan tersebut dari yang terbesar adalah pada konduktor
(tembaga), semikonduktor (silikon), dan isolator (gelas)
Semikonduktor
• Definisi II: Bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV
EG Pita
Terlarang Pita Konduksi
Pita Valensi
≈6eV EG≈1eV
Pita
Konduksi
Pita Valensi
Elektron bebas
Hole
KONDUKTOR SEMIKONDUKTOR ISOLATOR
Bahan-bahan Semikonduktor
• TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom- atom 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
Si
Si
Si Si
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Elektron Valensi
Ikatan Kovalen
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)
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Elektron Bebas
Hole
EG≈1,2eV EG≈1,1eV
Hole Elektron
Bebas
Si pada OoK Si pada 300oK Pita Konduksi
Pita Valensi Pita Terlarang
Sifat bahan Silikon dan Germanium (milman, 1986)
Sifat Si Ge
Nomor atom 14 32
Berat atom 28,1 72,6
Kerapatan, gr/cm3 2,33 5,32
Konstanta dielektrik 12 16
Atom/cm3 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 Konsentrasi Intrinsik (300oK), ni, cm-3 1,5 x 1010 2,5 x 1013 ρ intrinsik pada 300oK, ohm.cm 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
Pembawa Muatan Pada Semikonduktor Intrinsik
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Generation
Semikonduktor Intrinsik
e1 h1
e2 en
Semikonduktor Intrinsik
e1 h2
e2
h0 en
Recombination
Medan Listrik Terpasang, E
Keadaan Terdahulu Keadaan Kemudian
Jenis Semikonduktor: Ekstrinsik
• Semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor yang
memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing
Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor Tipe-N
Semikonduktor Tipe-P
• Pengotoran oleh atom pentavalent spt P, As, Sb
• Atom pengotornya disebut atom donor
• Pembawa muatan: elektron
• Pengotoran oleh atom trivalent spt B, Ga, In
• 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
+4 +4 +4
+4 +5 +4
+4 +4 +4
Elektron Bebas
As
Pita Konduksi
Pita Valensi EG Tingkat energi donor
0,05eV
EV ED
EC
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
+4 +4 +4
+4 +3 +4
+4 +4 +4
Hole
In
Pita Konduksi
Pita Valensi EG Tingkat energi akseptor
0,05eV
EV
EA
EC
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
Atom-
atom Akseptor
Atom- atom Donor
Doping Doping
Kristal Tunggal Semikonduktor
Hasilnya:
Type-P Type-N
Diode Pertemuan PN
Type-P Type-N
PERTEMUAN PN
Logam Logam
Kawat Kawat
Pembungkus
Hasilnya:
Anode Katode
Simbol:
Pertemuan PN Terbuka
- - - - - +
- - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + -
- - -
+ + + + Lapisan Pengosongn
Jenis p Jenis n
Hole Elektron
Ion Akseptor Ion Donor Bidang
Pertemuan
• 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):
• 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
- - - -
+ + + +
Lapisan Pengosongn
VD
Jenis P Jenis N
E
Katode Anode
Pertemuan pn dengan prasikap mundur (reverse bias):
- - - -
+ + + +
Lapisan Pengosongn
VD
Jenis P Jenis N
E
Katode +
+ + +
+ + + + -
- - - - - - - Anode
• 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.