Teori Semikonduktor-teori Dioda - Repository UNIKOM

TK – 33205

ELEKTRONIKA DASAR

JURUSAN TEKNIK KOMPUTER

FAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KOMPUTER UNIVERSITAS KOMPUTER INDONESIA

Jumat 10 Mei 2019 2

Jumat 10 Mei 2019 3

•

Elektronika : ilmu yang mempelajari sifat dan pemakaian devais yang kerjanya berdasarkan aliran elektron di dalam ruang hampa atau gas serta hole (lubang) di dalam semikonduktor.

PENDAHULUAN

•

Aplikasinya pada Televisi (TV), radio, komputer, instrumentasi, alat kendali, dan peralatan komunikasi lainnya.

•

Dasar-dasar SK: 1. Teori atom

2. SK Intrinsik 3. SK Ekstrinsik

4. Konduksi dalam SK

Jumat 10 Mei 2019 4

Proton (Q+)

Inti Atom

mengitari atom Neutron (Q=nol)

Atom

Elektron (Q -)

1. Teori Atom

Jumat 10 Mei 2019 5

•

Model dasar atom menurut BOHR :

“ Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing” •Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e)

•Konduktivitas atom

tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi:

a. Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna

b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator

TIGA JENIS BAHAN



Konduktor



Isolator



Semikonduktor :

-- -+32

STRUKTUR ATOM GERMANIUM

Inti atom dengan 32 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron bebas

Elektron valensi

STRUKTUR ATOM SILIKON

Inti atom dengan 14 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron Valensi

Elektron bebas

Orbit kedua : 8 elektron Orbit pertama : 2 elektron

-- -- -+14

Jumat 10 Mei 2019 9

•

Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4 eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antara konduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik.

•Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6

proton (2-4), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4)

•Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat

•Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer

6 p (2-4)

K L

14 p (2-8-4)

K L

Jumat 10 Mei 2019 11

Jumat 10 Mei 2019 14

Hukum–hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit :

1. Elektron pada kulit orbit tidak dapat berada pada ruang antara 2 kulit orbit

2. Setiap kulit orbit sesuai dengan suatu energi. Semua elektron pada kulit orbit yang sama mempunyai energi yang sama. Jumlah energi akan naik jika jauh dari inti. Jadi elektron valensi mempunyai jumlah energi paling tinggi.

3. Elekton yang meloncat dari kulit ke kulit maka elektron harus

menyerap energi untuk mengatasi perbedaan energi antara jumlah enegi awal dan akhir.

Jumat 10 Mei 2019 15

Celah energi adalah ruang antara setiap dua

kulit orbit.

KRISTAL SILIKON

8 elektron valensi

stabil

isolator

ikatan valensi

PENGARUH TEMPERATUR

temperatur > 0

o

K = - 273

o

C

elektron bebas

hole

atom bergetar

25

o

C

kristal murni

-

rekombinasi

Jumat 10 Mei 2019 18

2. SemiKonduktor Intrinsik

Jumat 10 Mei 2019 19 c

E

g

E

v

E

bidang konduksi elektron bebas bidang celah energi bidang

valensi hole

Bidang energi kristal (x-tal) 00 K

Pada temperatur tinggi

c

E

v

E

Jumat 10 Mei 2019 20

•

Kekosongan pada ikatan kovalen elektron keluar harus bermuatan Q (+) kaena kristal harus netral. Kekosongan itu disebut hole atau lubang.

a). 1 2 3 4 5 ion ke 2 mengisi hole pada ion ke 1

b). 1 2 3 4 5 ion ke 3 mengisi hole pada ion ke 2

c). 1 2 3 4 5 ion ke 4 mengisi hole pada ion ke 3 dan seterusnya arah aliran hole

arah aliran elektron

Jumat 10 Mei 2019 21

A

C

D

E

F

B

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK (MURNI)

2 pembawa muatan

-

elektron bebas

+ lubang (

hole

)

- - -

+ + + + + + + + + +

-Jumat 10 Mei 2019 23

3. SK Ekstrinsik

•

dilakukan doping dengan memasukan atom asing bervalensi

5 atau 3 disebut semikonduktor ekstrinsik, untuk menyusun devais elektronik yang kaya akan satu jenis pembawa muatan : hole atau elektron saja.

Semikonduktor jenis n

Dengan doping atom asing bervalensi 5 sebagai

atom donor karena ikatan kovalen memberikan

satu elektron : P (fosfor), Ar (arsen), Sb(antimon)

ke dalam semikonduktir intrinsik. Dengan

menambahkan energi kecil pada elektron valensi,

maka elektron masuk ke bidang konduksi.

Jumat 10 Mei 2019 24

Beda semikonduktor intrinsik dengan

semikonduktor jenis-n

•Semikonduktor intrinsik, elektron bebas di sertai hole

bergerak sebagai pembawa muatan.

•Semikonduktor jenis-n berbentuk elektron bebas, tidak

disertai hole tetapi ion (+) yang tidak dapat bergerak.

Semikonduktor jenis p

Dengan doping atom asing bervalensi 3

sebagai atom akseptor karena ikatan

kovalen memperoleh satu elektron : B

(boron), Al (aluminium), dan Ga (Galium)

Jumat 10 Mei 2019 25

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE N

Atom bervalensi lima

-

memberi 1 elektron

elektron bebas > hole

-

atom donor

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE P

Atom bervalensi tiga

-

mengurangi 1 elektron

elektron bebas < hole

-

atom akseptor

- - -

+ + + + + + + + + +

- - -

- - -

+ + + + + + + +

+ + + + + + + +

+ + + + + + + +

- - -

SEMIKONDUKTOR

TIPE N

Jumat 10 Mei 2019 29

4. Konduksi di dalam

SemiKonduktor

Partikel yang menghantarkan arus dalam semikonduktor adalah: elektron dan hole.

Ada dua penghantar arus :

1. Arus difusi

adalah

suatu

penghantar arus I di dalam

semikonduktor karena tidak meratanya

konsentrasi hole p partikel atau terjadi

gradient

konsentrasi

2.

Arus Drift

adalah

Jumat 10 Mei 2019 30

Jumat 10 Mei 2019 31

Jumat 10 Mei 2019 32

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

DIODA TANPA PRATEGANGAN

(Unbiased Diode)

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

+

+

+

+

- - - -

pn junction

Elektron tolak-menolak

Rekombinasi

Dipole

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

+

+

+

- - -

+

+

+

+

- - -

+

+

+

+

- - -

+

+

+

+

- - -

Depletion layer

Dipole

Medan listrik

Barrier potensial

SIMBOL DIODA

K

A



Komponen dengan dua elektroda (terminal)



Hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah saja



Model dioda :

Anoda Katoda

Pendekatan pertama (ideal)

Pendekatan kedua

DIODA IDEAL

forward bias

V

_D

I

_D

V_D = V_A - V_K

reverse bias

VD sembarang I

D = 0

I_D sembarang

D

IODA

Lambang dioda :

p

n

ANODA KATODA

Karakteristik dioda :

V _S V _D R

REVERSE REGION

FORWARD REGION

BREAKDOWN

LEAKAGE CURRENT

KNEE

I

Pendekatan dioda :

IDEAL

REVERSE BIAS

V I

FORWARD BIAS

PENDEKATAN KE - 2

REVERSE BIAS

O,7 V

V I

FORWARD BIAS

O,7 V

PENDEKATAN KE - 3

REVERSE BIAS

O,7 V r _B

V I

FORWARD BIAS

Jumat 10 Mei 2019 43

Latihan Soal

1). Hitunglah konsentrasi hole dan elektron didalam germanium (Ge) tipe-p dengan suhu 3000 K bila resitivitas 0,02 Ω.cm dan mobilitas hole (µp) 1800 cm2 /volt .dtk

2). Sama dengan no.1 tetapi untuk silikon (Si) tipe-n bila resitivitasnya 20 Ω.cm dan mobilitas elektron silikon (µn) 1300 cm2 /volt. detik

3). SK doping berundak dimana konsentrasi atom donor = 102 konsentrasi atom akseptor, konsentrasi atom akseptor 1 atom akseptor per 108 atom Ge. Hitunglah potensial kontak Vo pada suhu 300oK jika diketahui

Jumat 10 Mei 2019 44

• Solusi pr :