EL3012 Kelas 02 MATERIAL TEKNIK ELEKTRO

Dr. Ir. Irman Idris, M.Sc.

EL3012 Kelas 02 MATERIAL TEKNIK

ELEKTRO

09 – ARUS DRIFT DAN DIFUSI

Tinjauan Ulang Materi Lalu

REVIEW

Benda Padat

Konduktor Isolator Semikonduktor

Ikatan Atom :

•Ikatan Ion

•Ikatan Kovalen

•Ikatan Metal

Eg = 3.5 - 10 eV

Eg = 0.5 –3.5 eV Pita

Energi

Sel unit:

▪ SC

▪ BCC

▪ FCC

▪ HCP

Banyak elektron bebas di pita konduksi

Sedikit elektron bebas di pita konduksi–hole di pita valensi

Contoh: Silikon

DOS

E L E K T R O N

Matter Waves

PitaEnergi

DOS

T_kamar

Tinjauan Ulang

ISOLATOR SEMIKONDUKTOR

n, p

Tipe-N

Tipe-P Intrinsik

n₀ = p₀

n_n >> p_n

p_p >> n_p

Mayoritas elektron

Mayoritas hole

KONDUKTOR (Metal)

n

Pembawa muatan:

n = elektron bebas p = hole

Fenomena Arus Difusi dan Arus Drift

Arus Difusi dan Arus Drift

Arus Difusi akibat perbedaan konsentrasi elektron atau hole

Arus Drift akibat pengaruh medan listrik (E)

n

p

Arus Listrik

SEMIKONDUKTOR

n, p

Gerakan random elektron tanpa menghasilkan arah tertentu

→ Tidak ada arus listrik

Arus Difusi

Arus Drift

Jika terdapat medan listrik (E) mengenai bahan semikonduktor, maka :

- elektron bergerak berlawanan arah E - hole bergerak searah E

Relasi Einstein

𝐷 = 𝑘𝑇

𝑞 𝜇

Arus Difusi Arus Drift

Rekombinasi Elektron - Hole

Tipe Rekombinasi

1. Radiative

Photon

2. Auger 3. Shockley-

Read-Hall Hot-

electron Phonon

Diffusion Length

Diffusion Length

SEMIKONDUKTOR Tipe-P SEMIKONDUKTOR Tipe-N

Perhitungan Arus Drift

Rapat Arus Drift dari hole

• Jika ada rapat muatan positif , akibat medan listrik bergerak dengan kecepatan _d maka :

• Jika muatan tersebut adalah holes, maka :

• Kecepatan drift akibat medan listrik :

• _p adalah mobilitas hole

• Tabel mobilitas pada 300 K pada konsentrasi doping rendah

• Rapat arus drift dari hole :

• Arus drift hole searah dengan arah medan listrik

Arus Drift dari elektron

• Perhitungan yang serupa berlaku pada arus drift dari elektron :

• Kecepatan drift elektron

sebanding medan listrik dengan arah berlawanan :

• _n adalah mobilitas elektron

• Arus drift elektron :

• Arus drift pada elektron memiliki arah yang sama dengan medan listrik meskipun gerakan

elektron pada arah berlawanan

• Total arus drift menjadi :

Contoh 1

Problem Latihan

Mobilitas (  )

• Akselerasi hole atau electron akibat medan listrik E :

• Kecepatan drift menjadi :

• _cp waktu antar tabrakan

• Gerakan random hole tanpa dan dengan medan listrik E

• Mobilitas hole & elektron :

Variasi Mobilitas

• Ada 2 faktor yg mempengaruhi mobilitas:

• Phonon/lattice scattering

• Ionized impurity scattering

• Mobilitas akibat lattice

scattering berbanding terbalik terhadap suhu :

• Mobilitas akibat ionized impurity scattering tergantung suhu dan ion yg terionisasi :

• dimana :

• Kombinasi keduanya melalui persamaan :

Mobilitas fungsi temperatur & doping

Elektron Hole

Mobilitas elektron dan hole pada bahan

Germanium

Silikon

Galium Arsenida

Mobilitas Elektron Bebas dan Hole di Silikon

Konduktivitas

• Persamaan rapat arus drift dapat ditulis dalam bentuk :

• dimana  dinamakan konduktivitas bahan semikonduktor

• Lawan dari konduktivitas adalah resistivitas :

Resistansi

• Jika tegangan V diberikan,

mengalir arus dan medan E :

• Hukum Ohm :

Contoh 2

Latihan

Contoh 3

Contoh 3 (Lanjutan)

Perhitungan Arus Difusi

Rapat Arus Difusi

• Rapat arus difusi elektron :

• Rapat arus difusi hole :

 & D

𝐷 = 𝑘𝑇

𝑞 𝜇

Relasi Einstein

Contoh 4

Rapat Arus Total

• Rapat arus total merupakan

penjumlahan arus drift dan arus difusi :

• Dalam 3 dimensi :

Latihan

SEKIAN