1-Bahan semikonduktor

BAB 1

BAHAN SEMIKONDUKTOR

Tujuan bab

Bab ini adalah penjelasaan dari bahan semikonduktor sebagai cikal bakal komponen

elektronika daya (ELDA). Melalui kuliah inverter ini para mahasiswa diharapkan paham

tentang dasar kompenen ELDA. Kemudian diikuti dengan penjelasan melalui gambar dan

rumus-rumus, berserta beberapa contoh soal. Setelah mempelajari bab ini dan

mengerjakan pelatihannya, diharapkan anda mampu:

Memahami konsep bahan semikonduktor

Pengertian

Konduksi listrik dari bahan semikonduktor tidak lebih tinggi dari bagan metal. Sifat

listrik dari bahan ini adalah sangat sensitive kepada campuran bahan yang tidak murni

dengan sedikit konsentrasi saja. Intrinsic semikonduktor adalah yang mana tingkah-laku

listrik didasarkan kepada struktur inherent pada bahan murni. Bila bahan murni dibuat

menjadi tidak murni maka bahan ini disebut dengan extrinsic semikonduktor.

1.1 Intrinsic Semikonduktor

Intrinsic semikonduktor didasarkan kepada struktur band electron yang ditunjukan oleh

gambar-1d berikut.

-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 1

Gambar-1: Band Valensi

Bahan semikonduktor pada 0K, band valensi dipisahkan oleh band gap yang sempit (<2

eV) kepada band empty comduction. Dua unsur bahan semikonduktor, yaitu silicon (Si)

dan germanium (Ge) mempunyai energi gap masing-masing 1,1 dan 0,7 eV, yang

ditemukan pada golongan IVA dalam daftor feriodik.

1.2 Konsep Hole

Dalam intrinsic semikonduktor, setiap electron digerakan kepada band konduksi, sebagai

akibatnya terjadi kehiliangan electron pada ikatan kovalennya. Hal ini dapat terjadi bila

bahan diberi medan listrik, seperti yang ditunjukan gambar-2 berikut.


Gambar 1.2 Konsep hole

Dari gambar diatas dapat ditunjukan bahwa, elektran-elektron sebelum diberikan medan

listrik selalu berada pada ikatan kovalennya (gambar 2-a). Setalah diberi existasi (medan

listrik) pada gambar-2b maka satu electron terlepas dari ikatan kovalennya sehingga

menjadi electron bebas. Sedangkan tempat yang ditinggalkannya adalah kosong yang

disebut dengan hole. Pada pemberian medan lanjut (gambar-2c) electron bebas menabrak

ikatan kovalen berikutnya dan electron pada ikatan kovalen itu terlepas menjadi electron


bebas. Sedangakan hole diisi oleh elektran pada ikatan kovalen lainnya. Dalam hal ini

terlihat bahwa electron bergerak kearah kanan dan hole bergerah kearah kiri.

1.3 Interinsic konduksi.

Dari penjelasan gambar-2 di atas, ada dua type pembawa muatan, yaitu electron dan hole,

didalam intrinsic semikonduktor. Sehingga konduksi listrik akan dipengaruhi oleh kedua

muatan ini, yaitu

1.1

Dimana p adalah jumlah hole percubit meter dan mobilitas hole lebih kecil dari mobilitas

electron. Dalam bahan semikonduktor, electron yang dipromosikan ke band konduksi

melalui gap band yang meninggalkan hole dibelakangnya pada band valensi, sehingga

jumlah elekton bebas sama dengan jumlah hole, yaitu p=n. Jadi persamaan-1 menjadi

1.2

Contoh perhitungan:

Pada intrinsic silicon, konduksi listrik pada temperature kamar adalah 4x10 -4 /Ohm-m;

mobilitas electron dan hole adalah 0,14 dan 0,048 m2/V-sec.

Tentukan konsentrasi hole dan electron pada suhu kamar tersebut?

Jawab:

Dari persamaan 1.2 adalah

1.3.1 Type-n

Gambar berikut adalah bahan semikonduktor murni dicampur dengan bahan yang

bervalensi 5, seperti P.


Si Si Si Si Si

Si Si P+5 Si Si

Si Si Si SiSi

E

Fre elektorn

c) Eksistasi lanjut

Gambar 1.3 bahan type-n dengan pengaruh medang listrik


Proses pergerakan electron dapat dilihat pada sekema band energi berikut.

Gambar 1.4 Band energi bahan type-n

1.3.2 Type-p

Gambar berikut adalah bahan semikonduktor murni dicampur dengan bahan yang

bervalensi 3, seperti B.


Gambar 1.5 Bahan type-p dengan pengaruh medan listrik

Proses pergerakan hole dapat dilihat pada sekema band energi berikut


Gambar 1.6 Band energi bahan type-p

Contoh perhitungan:

Phospor ditambahkan dalam selikon murni untuk mendapatkan suatu konsentrasi

1023/m3 pembawa muatan dlam temperature kamar.

a. Tentukan jenis bahan semikonduktor?

b. Hitung konduksi bahan dalam temperature kamar tersebut?

Jawab:

a. Phospor adalah elemen pada golongan VA, jadi phosphor bertindak sebagai donor

atau bahan semikonduktor adalah type-n.

b. Konduksi listrik adalah

1.4 Pengaruh temperature

Konduksi listrik pada bahan semikonduktor akan dipengaruhi oleh temperature,

Untuk intrinsic konduksi perhitungan konduksi yang dipengaruhi oleh temperature

didekati oleh persamaan berikut ini.


1.3

Dimana Eg dan k adalah energi gap dan kontanta Bolzman. Sedangkan T adalah

temperature mutlak (absolute temperature).

Contoh Perhitungan:

Bila dalam temperature kamar = 25 0C = 2980K, konduksi listrik intrinsic germanium

2,2/Ohm-m. Perkirakanlah konduksinya pada temperature 1500C.

Jawab:

Engergi gap germanium adalah 0,67 eV, jadi

1.5 p-n Rectifying junction

Sifat listrik yang unik dari bahan semikonduktor menghasilkan fungsi khusus elektrinik,

seperti dioda dan transistor yang mengantikan fungsi tabung vakum. Keuntungan dari

komponen semikonduktor adalah ukuran yang sangat kecil, rendah konsumsi energi dan

tanpa pemanasan awal.

Rectifier adalah komponen elektronik yang membawa arus dalam satu arah saja.

Komponen ini dibentuk oleh p-n jaction, yang dikenal dengan sebutan populenya sebagai

dioda.


Gambar 1.7 p-n Rectifying junction

Pada gambar b di atas dioda dapat polaritas positif sehingga meletkan arus.

Sedangkan pada gambar c terjadi sebaliknya, kondisi ini akan menimbulkan arus

reverse yang sangat kecil. Phenomena ini dapat dijelaskan melalui gamabar

karakteristik arus-tegangan berikut dari komponen dioda tersebut diatas. Bila

tegangan yang diterapkan pada dioda adalah negative maka arus listrik akan

diblok. Tetapi masih ada arus yang lewat sangat kecil sekali, yaitu arus riverse.

Gambar 1.8 Karakteristik dan bentuk gelombang tegngan dan arus p-n junction

1.6 Latihan


1. Apa bedanya bahan semikonduktor dengan bahan lainnya.

2. Jelaskan terjadinya hole pada bahan semikonduktor.

3. Apa yang disebut dengan bahan semikonduktor murni dan apa pula yang dimaksud

dengan bahan type-n dan type-p.

4. Pada intrinsic silicon, konduksi listrik pada temperature kamar terdapat kosentrasi

n=7,1x1014 buah/ m3; mobilitas electron dan hole adalah 0,14 dan 0,048 m2/V-sec.

Tentukan koduktansi bahan tersebut?

5. Bila dalam temperature kamar = 25 0C = 2980K, konduksi listrik intrinsic germanium

1,2/Ohm-m. Perkirakanlah konduksinya pada temperature 2000C.


1-Bahan semikonduktor

Documents

Transcript of 1-Bahan semikonduktor