Materi 2: Fisika Semikonduktor

(1)

Materi 2: Fisika Semikonduktor

I Nyoman Kusuma Wardana

(2)

Outline

• Konduktor • Inti atom • Elektron bebas • Semikonduktor • Atom silikon • Ikatan kovalen • Penyatuan valensi • Hole

• Rekombinasi & lifetime • Semikonduktor intrinsik

• Semikonduktor ekstrinsik • PN junction

(3)

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}

(4)

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

(5)

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

(6)

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

(7)

Semikonduktor : Atom Silikon

• Tinjaulah sebuah atom silikon

• Atom silikon memiliki  14 proton & 14 elektron • Net charge  +4 (karena 10 elektron dalam)

(8)

(9)

• Atom2_{silikon bergabung mnjd}

satu-kesatuan membentuk struktur kristal.

• Msg2_{atom silikon}_membagi

elektron2_{nya 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

(10)

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

(11)

Hole (Lubang)

• Temperatur ambient (T_a) temp. yg mengelilingi udara

• Jika T_a> suhu mutlak nol (-273o_{C)  atom}2

dlm kristal bergetar

• Makin tinggi T_amakin keras getaran tsb. • Getaran ini dpt mengeluarkan elektron dr

orbit valensi

• Keberangkatan elektron tsb menimbulkan sebuah lubang  hole

(12)

• Lubang ini berlaku sprti muatan (+) sebab elektron yg hilang memproduksi muatan (+)

(13)

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

(14)

Ide-ide Utama:

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

(15)

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

(16)

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

(17)

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

(18)

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

(19)

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

(20)

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

(21)

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

(22)

• 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,

(23)

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

(24)

Unbiased Diode

• Msg2 lempengan

bahan2 semikonduktor adalah netral  sebab

jumlah positif dan negatif adalah sama

• Kedua jenis selanjutnya ditempelkan

(25)

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.

Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015

• Msg2 ion negatif dan positif disebut

dipole

• Krn terbentuknya dipole, daerah dekat sambungan menjadi mjd kosong muatan • Daerah ini lapisan deplesi

(26)

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 25o_{C, hambatan potensial sebesar}_{0.3 V}_{utk dioda}

(27)

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

(28)

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

(29)

Bias Balik

• Terminal negatif baterai  terhubung tipe p

• Terminal positif baterai  terhubung tipe n

• Rangkaian ini menghasilkan reverse bias (bias balik)

(30)

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

(31)

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.

(32)

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

(33)

Breakdown

• Jika tegangan balik dinaikkan secara terus-menerus, maka akan sampai pd tegangan breakdown

• Ketika tercapai teg.breakdownsebagian 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

(34)

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

(35)

Bekal di bawa pulang…

Pertanyaan:

• Apa yg Anda ketahui tentang Dioda?

Tulislah apapun informasi yg Anda peroleh melalui berbagai sumber dgn tulisan tangan di atas kertas double folio. Kumpulkan ke dosen pengajar saat perkuliahan selanjutnya.

Keterlambatan pengumpulan tidak akan diterima  dimungkinkan dikumpulkan sbelum perkuliahan

(36)

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_