SEMIKONDUKTOR

MATERIAL SEMIKONDUKTOR

Suatu bahan di alam ini dapat dibagi menjadi beberapa bagian berdasarkan sifat kelistrikannya yaitu :

Bahan Isolator memiliki harga sekitar 1014 – 1022 .cm

Bahan Semikonduktor memiliki harga sekitar 10-2 – 109 .cm

Bahan Konduktor memiliki harga sekitar 10-5 .cm

PITA-PITA ENERGI UNTUK ZAT PADAT

Semikonduktor

Dalam semikonduktor, celah pita energi (band gap) cukup kecil sehingga dengan energi termal saja sudah dapat mengeksitasi elektron ke pita konduksi

Konduktor

overlap

Level Fermi

Dalam konduktor tidak ada band gap karena pita valensi

dan pita konduksi saling tumpang tindih (overlap)

Energi gap yang lebar antara pita valensi dan pita konduksi pada insulator menggambarkan bahwa elektron sangat sulit mencapai pita konduksi pada temperatur biasa

Insulator

Energy elektron

Bahan semikonduktor banyak digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen elektronik Modern seperti dioda, transistor, kapasitor dsb

Germanium merupakan semikonduktor yang pertama kali dIeksplorasi 1947 untuk aplikasi transistor Silikon sampai saat ini banyak

digunakan untuk bahan pembuatan komponen elektronik dengan

pertimbangan : Bahan cukup melimpah di alam Harga relatif murah Mudah dioksidasi untuk

membentuk bahan isolator SiO2 Semikonduktor Paduan II-VI atau III-V banyak dimanfaatkan untuk aplikasi elektronik maupun optoelektronik

ELEKTRON-ELEKTRON VALENSI

Elektron-elektron dalam kulit terluar sebuah atom disebut elektron-elektron valensi. Elektron-elektron tersebut menentukan sifat dasar reaksi-reaksi kimia atom dan terutama menentukan sifat listrik material padat.

Boron3 elektron

valensi

Silikon4 elektron

valensi

Antimoni5 elektron

valensi

Komponen elektronik pada era sebelum teknologi semikonduktor dimulai telah dibuat dalam bentuk tabung vakum seperti dioda (1904) dan trioda (1906)

Transistor bipolar pertamaTerbuat dari Germanium

Era Teknologi Semikonduktor dimulai tahun 1947 dengan ditemukannya transistor dari bahan Germanium

Transistor bipolar pertama kaliDibuat oleh Bardeen, Shockleydan Brattain

Evolusi Komponen Elektronik

Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan yang disebut ikatan kovalen

Gambaran ikatan kovalen atom silikon Pada kondisi nol mutlak. Setiap atom Si menyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen

KRISTAL SILIKON

KRISTAL SILIKON PADA KEADAAN DI ATAS NOL KELVIN

Gambaran ikatan kovalen atom Si pada kondisi temperatur tinggi. Penambahan energi termal menyebabkan putusnya ikatan kovalen yang menghasilkan pasanga elektron-hole

DIAGRAM PITA ENERGI SILIKON

DIAGRAM PITA ENERGI GERMANIUM

ENERGI CELAH PITA (BANDGAP)

Energi celah pita (bandgap) merupakan energi minimum yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dari ikatan kovalen dalam kristal semikon-

duktor

TIPE SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor Intrinsik merupakan semikonduktor murni yang belum diberi atom pengotor (impuritas)

Semikonduktor Intrinsik

Kerapatan elektron dalam semikonduktor intrinsik

EG = Energi celah pita semikonduktor dalam eVB = Konstanta Bahan (untuk Si B=1,08 x 1031 K-3 cm-6 T = temperatur (K)k = konstanta Boltzmann 8,62 x 10-5 eV/K

ni 1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar

Apabila semikonduktor mendapatkan energi termal, maka hal ini dapat menyebabkan pecahnya ikatan kovalen yang akan menghasilkan elektron bebas Akibat ditinggalkan oleh elektron maka pada pita valensi terdapat kekosongan-kekosongan yang disebut lubang (hole)

hole dapat dianggap sebagai muatan positif yang dapat bergerak ketika kekosongan (lubang) diisi oleh elektron yang berasal dari pecahnya ikatan kovalen atom tetangga terdekat. Pergerakan hole ini disebut arus hole

Pada semikonduktor intrinsik kerapatan hole (p) sama dengan kerapatan elektron (n)

pn = n2

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

Generasi hole dan elektron

Gerakan hole

holeElektron

bebas

GAMBARAN TENTANG PEMBENTUKAN HOLE

ARUS LISTRIK PADA BAHAN SEMIKONDUKTOR

Elektron dan hole keduanya memberi kontribusi pada aliran arus listrik dalam bahan semikonduktor intrinsik

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor murni yang telah diberi atom pengotor (impuritas)

Proses penambahan atom pengotor (impuritas) disebut doping

Dengan proses pendopingan tersebut memungkinkan adanya kontrol terhadap harga resistivitas bahan

Untuk silikon, atom pengotornya diambil dari atom golongan III dan V dalam tabel periodik

DOPING SEMIKONDUKTOR

Penambahan atom-atom impuritas dari golongan yang berbeda dalam kisi kristal silikon atau germanium, akan menghasilkan perubahan dramatis pada sifat-sifat listriknya dan menghasilkan semikonduktor tipe-n dan tipe-p.

+ 51

Antimoni, Arsen, Fosfor

(5 elektron valensi)

Menghasilkan semikonduktor

tipe-n oleh kontribusi

elektron tambahan

+ 5

Boron, Aluminium, Galium(3 elektron valensi)Menghasilkan semikonduktor tipe-p oleh pembentukan hole atau kekosongan elektron

Apabila atom pengotor dapat menyumbangkan elektron pada semikonduktor murni maka pengotor tersebut disebut atom donor

sebagai atom donor pada Si diambil dari golongan V seperti fosfor

Atom fosfor memiliki elektron valensi 5, sehingga ketika membentuk ikatan dengan atom Si maka akan menyumbangkan satu elektron Tipe

semikonduktor ekstrinsik ini adalah tipe-n

Apabila atom pengotor memerlukan elektron tambahan agar dapat berikatan dengan atom semikonduktor murni,maka pengotor tersebut disebut atom aseptor

sebagai atom aseptor pada Si diambil dari golongan III seperti Boron

Atom Boron memiliki elektron valensi 3, sehingga ketika membentuk ikatan dengan atom Si maka akan menyumbangkan satu hole Tipe semikonduktor ekstrinsik ini adalah tipe-p

MODEL ENERGI PITA PADA SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Semikonduktor yang telah didoping atom donor

Atom donor memiliki elektron bebas dengan energi ED yang relatif kecil, sehingga memudahkan perpindahan Elektron dari atom donor ke pita konduksi

Semikonduktor yang telah didoping atom aseptor

Ikatan yang terbentuk antara atom aseptor dengan semikonduktor murni akan menghasilkan kekosongan dengan energi EA, Keadaan tersebut akan memudahkan pindahnya elektron dari pita valensi ke tingkat keadaan aseptor

TIPE ARUS LISTRIK DALAM SEMIKONDUKTORARUS HANYUT

(DRIFT) Ketika semikonduktor diberi medan

listrik, maka partikel-partikel bermuatan akan bergerak atau hanyut (drift) yang disebut arus hanyut (arus drift) Laju drift dari partikel bermuatan tersebut berbanding lurus dengan medan listrik E

dan

vn dan vp adalah laju dari elektron dan hole (cm/s)

n dan p adalah mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)

Rapat arus drift

jn = qn n E (A/cm2)jp = qp p E (A/cm2) jT = jn + jp = q(n n + p p)E= EKonduktivitas =q(n n + p p) (1/.cm) Resistivitas = 1/ (.cm)

ARUS DIFUSI Arus Difusi terjadi akibat adanya

perbedaan konsentrasi muatan pembawa Arus Difusi mengalir dari daerah yang memiliki konsentrasi muatan tinggi ke daerah yang konsentrasi muatannya rendah Arus difusi sebanding dengan gradien

konsentrasi

Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron

ARUS TOTAL DALAM SEMIKONDUKTOR

Arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dan arus difusi

PEMBENTUKAN SEMIKONDUKTOR SAMBUNGAN pn

Semikonduktor Silikon yang didoping fosfor akan menyebabkan konsentrasi elektronnya meningkat (tipe-n)

elektron

Atom Donor

Semikonduktor silikon yang didoping Boron akan menyebabkan konsentrasi holenya meningkat (tipe-p)

hole

Atom aseptor

Pembentukan sambungan pn dapat dilakukan dengan menggabungkan semikonduktor tipe-p dengan tipe-n

Tipe-n dengan konsentrasiAtom donor ND

Tipe-p dengan konsentrasi atom aseptor NA

holeelektron

Karena adanya perbedaan konsentrasi maka: elektron akan berdifusi dari tipe-n ke tipe-p hole akan berdifusi dari tipe-p ke tipe-n

Ketika elektron bertemu dengan hole maka elektron akan mengisi hole

Daerah pertemuan elektron dengan hole akan menjadi daerah muatan ruang (lapisan deplesi)

Dalam daerah muatan ruang tersebut akan terbentuk medan listrik E

Daerah muatan positif

Daerah muatan negatif

E

E

Tanpa panjarTipe-pTipe-n

Tipe-pTipe-n

Tipe-pTipe-nTanpa Panjar

Tipe-pTipe-n