Post on 09-Oct-2015
description
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
1/10
Makalah Bahan Semikonduktor
BAHAN SEMIKONDUKTOR
Karakteristik Bahan Semikonduktor
Semikonduktor elemental terdiri atas unsur unsur pada system periodik golongan IV A
seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbon semikonduktor ditemukan dalam
bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga
dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor
laser.
Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur
periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA
(valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan
III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.
Tabel 1: karakteristik semikoduktor
Semikonduktor Intrinsik (murni)
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting
dalamelektronika.Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan
mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk
tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-
atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Padatemperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga
tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
Gambar 1: Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
2/10
Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk
silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron
mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2).Besarya energi yang diperlukan
untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang ( energy
gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada
daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang
ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang
memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi
dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat
yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.
Gambar 2: Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen
yang terputus
Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arus drift dapat dituliskansebagai
berikut
Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing
bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibatadanyapengaruh medan listrikAkibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus
dinyatakan sebagai:
konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka
padasemikonduktor murni,
Tabel 2: Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K
Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada
semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita
konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk
elektronhole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
3/10
Gambar 3: Celah energy
Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel
periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2) Elemen
semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkanpada tabel
Tabel 2: Elemen semikonduktor pada tabel periodic
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom
pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-
atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki
muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi
kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa
sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang
kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan
dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut
semikonduktor tipe-n karenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom
donor.Secaraskematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar.
Gambar 4: Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan
posisi salah satu atom silicon.
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapatdibuat
dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau
indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini
mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
4/10
kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk
tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisasebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses
pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada
kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini
disebutsebagai atom aseptor (acceptor).
Generasi dan Rekombinasi
Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung
pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam
elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur Tdinyatakan dengan kT, dimana k adalah
konstanta Boltzmann. Analisa secara statistic menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron
valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengan e eVG kT / . Jika energi gap eVG
berharga kecil dan temperatur T tinggimaka laju generasi termal akan tinggi.Pada
semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan
menghilang.Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik,
tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R
akan berharga rendah; sebaliknyaRakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam
jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanyatersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga
sangattinggi.Secara umum dapat dituliskan:
R r n p (6.3)
dimanar menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju
generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi atau dengan kata lain perkalian
konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui
proses doping), yang lain harus berkurang.Bahan Semikonduktor 61. Jika kita menambanhkan
atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada
suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donor ND>>ni, dengan konsentrasi
elektron sebesar
Model Setara Penguat
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
5/10
Secara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat
tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguatadalah
mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output) yang besarnya
sebanding dengan masukan. Besarnya tegangan keluaran (vo) dibandingkan dengan tegangan
masukan (vi) dinyatakan sebagai
v =A v
Pada paragrap sebelumnya telah dijelaskan bagaimana semikonduktor sambungan NPN
atau PNP terbentuk menjadi sebuah transistor. Pada beberapa rangkaian elektronik transistor
sering difungsikan sebagai elemen penguat dan saklar terkendali. Dua hal yang membedakan,
bila transistor dioperasikan sebagai penguat pemberian tegangan bias diletakkan pada daerah
aktif (linier), sedangkan apabila transistor bekerjasebagai saklar pemberian tegangan bias berada
pada daerah hantaranpenuh/sumbatan penuh (non linier).
Karakteristik masukan
Untuk memudahkan pengertian secara kualitatif perilaku dari bentukkarakteristik
masukan dan keluaran suatu transistor dapat dipandang sebagai ekivalen dari dua buah diodayang saling bertolak belakang dengan posisi katodanya saling dihubungkan.Gambar 1
memperlihatkan suatu simbol dan rangkaian pengganti transistor-npn, dimana pada daerah aktif
susunan dioda antara emitor-basis mendapat tegangan bias maju (forward biased).Suatu sifat
penting dari karakteristik masukan arus tegangan adalah menyerupai sifat sumber tegangan
konstan yang ditandai dengan adanya tegangan ambang (V) dengan arus emitor kecil.Umumnya,
besarnya tegangan ambang (V) kira-kira
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
6/10
Gambar 1 : Bias dan rangkaian pengganti transistor-NPN
Agar supaya mudah dipahami, maka bentuk kurva dari karakteristik masukan dapat kita
pandang sebagai perubahan tegangan basis emitor (VBE) dengan mengkondisikan tegangan
antara kolektor-emitor (VCE) konstan.Persamaan (2.232) memperlihatkan kemiringan kurva
hubungan fungsi perubahan antara arus kolektor (IC) terhadap tegangan basis emitor (VBE) pada
saat tegangan kolektor-emitor (VCE) dikondisikan konstan.Gambar 1.memperlihatkan
karakteristik masukan, dimana absis adalah arus basis (IB) dan ordinat menggambarkan tegangan
basis ke emitor (VBE) untuk berbagai nilai tegangan kolektor-emitor (VCE). Pertama dapat
diamati untuk tegangan kolektor emitor hubung singkat (VCE=0) dengan basis emitor terbias
maju. Dengan kondisi seperti ini, karakteristik masukan dari transistor pada hakekatnya
menyerupai diode persambungan yang terbias maju. Dan apabila tegangan basis menjadi nol,
maka arus basis (IB) akan berada pada nilai nol juga, karena dalam keadaan ini kedua
persambungan antara kolektor dan emitor dalam kondisi hubung singkat (short-circuited). Pada
kenyataanya menaikan tegangan |VCE| dengan kondisi tegangan basis emitor (VBE) tetap
konstan, maka akan menyebabkan penurunan arus rekombinasi basis.
(a) (b)
Gambar 2: (a) Karakteristik masukan IB=f(VBE) dan (b) transfer IC=f(VBE)
Pemberian bias tegangan dc pada rangkaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level
tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor level tegangan dan arus
yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga
menentukan daerah kerja transistor. Oleh karena titik kerja tersebut merupakan titik yang tetap
dalam kurva karakteristik, yang disebut dengan titik-Q (atau Quiescent Point).
Pada dasarnya titik kerja suatu rangkaian penguat bisa diletakkan dimana saja di kurva
karakteristik.Agar rangkaian penguat dapat menguatkan sinyal dengan linier atau tanpa cacat,
maka titik kerja transistor ditempatkan di tengah daerah aktif.Disamping itu agar titik kerja tidak
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
7/10
diletakkan diluar batas maksimum dari arus maupun tegangan yang sudah ditentukan oleh pabrik
untuk menjaga transistor dari kerusakan. Berikut gambar kurva karakteristik transistor dengan
empat buah contoh titik kerja yang diberi nama A, B, dan C.
Kurva Karakteristik Output Transistor
kurva karakteristik transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja
transistor,bias tegangan transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja
transistor,definisi titik kerja transistor Pada gambar diatas terlihat arus IC maksimum adalah 40
mA dan tegangan VCE maksimum sebesar 20 Volt. Disamping nilai arus dan tegangan
maksimum tersebut yang tidak boleh dilampaui adalah daya kolektor maksimum PCmaks.Dalam
gambar PCmaks ini ditunjukkan oleh garis lengkung putus-putus.PCmaks atau disipasi daya
kolektor maksimum ini merupakan perkalian IC dengan VCE.Dengan demikian titik kerja harus
diletakkan di dalam batas-batas tersebut.
Transistor yang bekerja pada titik A kurang begitu memuaskan karena termasuk pada
kurva non-linier, sehingga sinyal output yang dihasilkan cenderung cacat. Demikian juga pada
titik C, karena terletak hampir pada batas kemampuan VCE transistor. Disamping itu transistor
juga akan cepat panas. Titik B merupakan pilihan terbaik sebagai titik kerja transistor sebagai
penguat, karena terletak di tengah-tengah, sehingga memungkinkan transistor dapat menguatkansinyal input secara maksimum tanpa cacat. Agar transistor bekerja pada suatu titik kerja tertentu
diperlukan rangkaian bias. Rangkaian bias ini akan menjamin pemberian tegangan bias
persambungan E-B dan B-C dari transistor dengan benar. Transistor akan bekerja pada daerah
aktif bila persambungan E-B diberi bias maju dan B-C diberi bias mundur. kurva karakteristik
transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja transistor,bias tegangan
transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titi,k kerja
transistor,faktor penentu output, faktor penguatan transistor,daerah aktif transistor,daerah mati
transistor,cutt off transistor,daerah jenuh transistor Dalam praktek dikenal berbagai bentuk
rangkaian bias yang masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugian. Kemantapan kerja
transistor terhadap pengaruh temperatur merupakan faktor yang perlu diperhatikan dalam
menentukan bentuk rangkaian bias. Karena perubahan temperatur akan mempengaruhi (factor
penguatan arus pada CE) dan arus bocor ICBO.
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
8/10
Konduktivitas
Sifat dari bahan konduktor adalah tidak adanya medan listrik di dalam konduktor.
Pernyataan ini benar jika konduktor dalam keadaan keseimbangan statis. Tujuan dari
pembicaraan ini adalah ingin menggambarkan apa yang terjadi jika muatan bergerak dalamkonduktor. Muatan yang bergerak dalam sebuah konduktor, akan menghasilkan arus di bawah
pengaruh medan listrik. Medan listrik ini muncul karena adanya pergerakan muatan sehingga
situasinya non-elektrostatis. Keadaan ini sedikit berlawanan dengan situasi untuk
keseimbangan elektrostatis di mana muatan dalam keadaan diam sehingga tidak ada medan
listrik di dalam. Muatan listrik yang dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain adalah
muatan elektron. Elektron-elektron yang mudah berpindah disebut elektron bebas.Elektron-
elektron bebas dalam logam merupakan gas elektron yang pada suhu sangat tinggi 70.000C
bersifat sebagai gas sempurna.Elektron-elektron bebas ini bergerak bebas di dalam sebuah bahan
konduktor. Sehingga pada saat tertentu elektron-elektron ini akan berbenturan dengan elektron
bebas yang lain. Dengan jumlah elektron bebas yang besar maka bahan konduktor mudah
mengalirkan muatan listrik.Bahan konduktor yang baik dan sempurna jika mempunyai nilai
konduktivitas yang besaryaitu (mendekati tak terhingga besarnya).Sebaliknya untuk hambatan
atau hambatan jenisnya mempunyai nilai mendekati nol atau sangat kecil.
Bagaimana untuk isolator?Untuk isolator konduktivitas, hambatan, hambatan jenis, dan sifat
elektron adalah berharga sebaliknya dengan konduktor.Konduktor dan isolator adalah suatu
bahan yang mempunyai sifat kebalikan misalnya III untuk bahan konduktor mempunyai
konduktivitas sangat besar sedang isolator sangat kecil.Konduktor mempunyai hambatan atau
hambatan jenisnya kecil sedang untuk isolator hambatan atau hambatan jenisnya
besar.Bagaimana untuk material atau bahan semikonduktor?Semikonduktor adalah suatu bahan
atau benda yang mempunyai sifat sebagai konduktor dan isolator. Dengan kata lain bahan
semikonduktor mempunyai kemampuan mengalirkan muatan di bawah sifat konduktor dan diatas sifat isolator. Untuk mendapatkan sifat konduktor dari bahan semikonduktor biasanya
dilakukan penambahan jenis atom lain dengan konsentrasi tertentu atau disebut pendopingan.
Contoh bahan ini adalah germanium, Ge dan silikon, Si.Bahan semikonduktor dapat dijumpai
dalam penggunaan bahan-bahan elektronika.
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
9/10
Tabel diatas menunjukkan bahwa nilai konduktivitas untuk bahan isolator dan konduktor
mempunyai rentang yang sangat besar.
PENGUAT TRANSISTOR
Transistor merupakan komponen dasar untuk system penguat. Untuk bekerja sebagai
penguat , transistor harus berada dalam keadaan aktif. Kondisi aktif dengan memberikan bias
pada transistor.
Ada 3 Macam konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu :
1. Common-Emitter (CE) atau Emitter ditanahkan
2. Common-Base (CB) atau Basis Ditanahkan dan
3. Common-Collector (CC) atau Kolektor ditanahkan.
A. Penguat Common Base (Basis Ditanahkan)
Penguat common base adalah penguat yang kaki basis transistor di groundkan atau
ditanahkan, lalu input dimasukkan ke emitor dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat
Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.
1. Penguat Common Base Mempunyai Karakter sebagai berikut :
Adanya isolasi yang tinggi dari output ke input sehingga meminimalkan efek umpan
balik.
Mempunyai impedansi input yang relative tinggi sehingga cocok untuk penguat sinyal
kecil (Pre Amplifier)
Sering dipakai pada penguat frekuensi tinggi pada jalur VHF dan UHF
Bisa juga dipakai sebagai buffer atau penyangga.
B. Penguat Common Emitter (Emitor ditanahkan)
Penguat common emitter adalah penguat yang kaki emitter transistor di groundkan atau
ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat
Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.
5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor
10/10
1. Penguat Common Emiter Mempunyai Karakter sebagai berikut :
Sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat terhadap sinyal input
Sangat mungkin terjadi isolasi karena adanya umpan balik positif , sehingga sering
dipasang umpan balik negative untuk mencegahnya.
Sering dipakai pada penguat frekuensi rendah (terutama pada sinyal audio)
Mempunyai stabilitas penguatan yang rendah karena bergantung pada kestabilan suhu
dan bias transistor.
C. Penguat Common collector (kolektor ditanahkan)
Penguat common kolektor adalah penguat yang kaki kolektor transistor di groundkan atau
ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki emitor. Penguat
Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat Arus
1. Penguat Common kolektor Mempunyai Karakter sebagai berikut :
Sinyal outputnya sefase dengan sinyal input
Mempunyai penguatan tegangan sama dengan 1
Mempunyai prnguatan arus sama dengan HFE transistor
Cocok dipakai untuk penguat penyangga karena mempunyai impedansi output yang
rendah.