1. Semikonduktor

17
Semikonduktor Isolator adalah bahan dengan konduktivitas paling rendah Konduktor adalah bahan dengan konduktivitas paling tinggi Semikonduktor adalah material yang level konduktivitas (daya hantaran listriknya) berada diantara isolator dan konduktor Hantaran listrik suatu bahan tergantung dari sifat tahanan bahan tersebut. Tahanan suatu material dapat diekspresikan melalui persamaan berikut: (Ω) R = tahanan bahan ρ = rho = tahanan jenis bahan L = panjang bahan A = luas penampang bahan Contoh perbedaan tahanan jenis bahan pada 300 o K (suhu ruang) Konduktor Semikonduktor Isolator ρ = 10 -6 Ωcm (Tembaga) ρ = 50 Ωcm (Germanium) ρ = 50x10 3 Ωcm (Silicon) ρ = 10 12 Ωcm (Mika) Dari tabel terlihat tahanan semikonduktor (Germanium dan Silikon) terletak diantara konduktor dan isolator. Elektronika 1

Transcript of 1. Semikonduktor

Page 1: 1. Semikonduktor

Semikonduktor

Isolator adalah bahan dengan konduktivitas paling rendah

Konduktor adalah bahan dengan konduktivitas paling tinggi

Semikonduktor adalah material yang level konduktivitas (daya hantaran listriknya) berada

diantara isolator dan konduktor

Hantaran listrik suatu bahan tergantung dari sifat tahanan bahan tersebut.

Tahanan suatu material dapat diekspresikan melalui persamaan berikut:

(Ω)

R = tahanan bahan

ρ = rho = tahanan jenis bahan

L = panjang bahan

A = luas penampang bahan

Contoh perbedaan tahanan jenis bahan pada 300o K (suhu ruang)

Konduktor Semikonduktor Isolator

ρ = 10-6 Ωcm

(Tembaga)

ρ = 50 Ωcm (Germanium)

ρ = 50x103 Ωcm (Silicon)ρ = 1012 Ωcm (Mika)

Dari tabel terlihat tahanan semikonduktor (Germanium dan Silikon) terletak diantara

konduktor dan isolator.

Germanium (Ge) dan Silikon (Si) diamati secara khusus untuk beberapa alasan antara lain :

Material Ge dan Si dapat dibuat dengan tingkat kemurnian yang tinggi kemajuan

teknologi menunjukkan bahwa level ketidakmurnian bahan tersebut dapat direduksi

menjadi 1 bagian atom lain dalam 10 billion atom Ge atau Si (1 : 1010)

Karakteristik menunjukkan bahwa material tersebut dapat diaplikasikan menjadi

device yang sensitif terhadap panas dan cahaya.

Tingkat impurity (ketidakmurnian) dapat merubah sifat kelistrikan dari tingkat

konduktor yang rendah ke konduktor listrik yang baik.

Elektronika 1

Page 2: 1. Semikonduktor

Proses impurity dapat dilakukan dengan jalan menyisipkan atom ke dalam struktur atom-atom

utama (Ge dan Si) proses ini lebih dikenal dengan istilah “DOPING”.

Struktur kristal tunggal Ge dan Si:

Hal penting tentang atom:

Setiap atom mempunyai 3 partikel utama yaitu:

Neutron, Proton dan Elektron.

Neutron = partikel yang tidak bermuatan (netral) muatannya = 0; simbol : n

Proton = partikel bermuatan positif simbol : p

besar muatan sama dengan muatan elektron

Elektron = partikel bermuatan negatif simbol : e

muatan : 1,6x10-19 Coulomb

Neutron dan Proton barasal dari inti, sedangkan elektron berputar mengelilingi inti

melalui lintasan-lintasan (orbit) tertentu.

Selama elektron beredar dalam lintasannya tidak terjadi penyerapan atau pemancaran

energi.

Elektron dapat berpindah tempat dari lintasan dalam ke lintasan luar atau dari tempat

dengan tingkat energi yang lebih rendah ke tempat dengan tingkat energi yang lebih tinggi

dengan menyerap energi

Sebaliknya

Dari lintasan luar ke lintasan dalam (dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi yang lebih

rendah) dengan memancarkan energi.

Model Atom Bohr

Elektronika 2

Page 3: 1. Semikonduktor

Semua atom mempunyai kecenderungan untuk membentuk struktur atom dengan 8

elektron pada kulit terluar (elektron valensi), karena sifatnya sangat stabil dan tidak reaktif,

contoh : golongan Gas Mulia: He, Ne, Ar, Kr, Xe dan Rn.

Salah satu caranya dengan sharing elektron (pemakaian elektron bersama-sama)

prinsip ini dikenal sebagai “ikatan kovalen”.

Contoh:

Ge nomor atom : 32

Si nomor atom : 14 struktur Si digambarkan dengan menganggap ada 14 elektron yang

bergerak mengelilingi inti yang mempunyai muatan +14 q

q = muatan listrik = 1,6x10-19 Coulomb

(a) (b) ikatan kovalen

Struktur atom : (a) Silikon

(b) Germanium

Silikon dan Germanium mempunyai 4 tempat kosong pada kulit terluar, berarti Si dan Ge

dapat menerima 4 buah elektron dari luar untuk membentuk struktur dengan 8 elektron di

kulit terluar.

Sebuah kristal murni (ikatan terbentuk dari atom-atom yang sama) merupakan

isolator karena semua elektronnya saling mengikat.

Pada kristal semikonduktor timbulnya sifat kelistrikan dapat dijelaskan sbb :

temperatur naik atom-atom bergetar oleh panas memberi energi pada elektron

elektron dapat terbebas dari ikatan konduksi listrik naik.

Elektronika 3

Page 4: 1. Semikonduktor

Hole juga dapat berpindah-pindah dan mempunyai sifat

sebagai zarah bermuatan positif.

Dalam kristal dengan ikatan kovalen murni yang tidak

mengandung atom asing konduksi listrik tentunya

hanya ditimbulkan oleh gerakan elektron dan hole

bersama-sama.

Energi yang diperlukan untuk membebaskan ikatan elektron disebut energi ionisasi untuk

Si = 1,1 eV dan Ge = 0,7 eV

1 eV (elektron volt) adalah besarnya energi yang diperoleh elektron yang dipercepat oleh beda

potensial 1 volt.

1 eV = 1,601 x 1 eV

= 1,601 x 10-19 (Coulomb x 1 volt)

= 1,601 x 10-19 Joule

Energi ionisasi dapat ditimbulkan oleh Temperatur

Foton

Energi ini dikenal sebagai Celah Energi (energi gap) = Eg

Oleh temperatur Eionisasi = kT

k = konstanta Boltzman = 8,64x10-5 (eV/oK)

T = temperatur absolut (oK)

Pada temperatur kamar (300o K) :

Eionisasi = 0,0258 eV 0,7 eV (Ge) .

1,1 eV (Si)

Elektronika 4

maka tidak ada elektron yang terbebas

Page 5: 1. Semikonduktor

Perbedaan tingkat energi ionisasi:

Apabila elektron berpindah dari jalur valensi ke jalur konduksi maka timbul hole pada jalur

valensi dan elektron bebas pada jalur konduksi.

Celah energi pada bermacam – macam semikonduktor:

Semikonduktor Celah energi eV (pada 300oK)

Si

Ge

1.11

0.67

Ga As 1.39

Elektronika 5

Pita konduksi

Pita Valensi

Energi Energi Energi

Pita konduksi

Pita Valensi

Pita konduksi

Pita Valensi

Eq

Electron valensi terikat oleh

struktur atom

Konduktor

Pita konduksi

Pita valensi

Electron bebas yang membentuk konduksi

Overlap antara pita konduksi dan pita valensi tidak diperlukan Eionisasi agar bahan dapat menghantarkan listrik

Eg = 11 eV (Si)E = 0.67 eV (Ge)

SemikonduktorIsolator

Eq > 5eV

Page 6: 1. Semikonduktor

Ga Sb0.67

In Sb

Cd Te

0.17

1.45

Cd S

Zn O

Intan

2.45

3.2

6

Intan merupakan isolator terbaik Eg = 6 eV

In Sb mempunyai konduktivitas besar pada suhu kamar Eg = 0.17

ENERGI FERMI

Tingkat energi Fermi (EF) adalah tingkat energi referensi dimana pada tingkat ini

kemungkinan dijumpainya elektron atau hole adalah 50 %.

Fungsi distribusi Fermi – Dirac

EF = tingkat Fermi (eV)

k = konstanta Boltzman (eV/oK)

T = Temperatur absolute (oK)

Keterangan grafik:

Pada t = 0 oK (=-273 oC) semua elektron di jalur valensi jalur konduksi kosong.

Kemungkinan dijumpai elektron pada 0 > E > EF adalah 100 %, atau f(E) = 1 artinya

semua keadaan diduduki elektron (hole = 0)

E > EF f(E) = 0 kemungkinan dijumpai elektron di daerah E > EF adalah nol.

E = EF di daerah E = EF, kemungkinan dijumpainya elektron adalah 50 %.

Semikonduktor EF terletak di tengah – tengah antara jalur konduksi dan jalur valensi.

Elektronika 6

Page 7: 1. Semikonduktor

MOBILITAS PEMBAWA MUATAN (µ)

Mobilitas (gerakan) adalah parameter semikonduktor untuk menunjukkan sejauh mana

pembawa muatan dapat dengan mudah bergerak dalam bahan di bawah pengaruh suatu medan

listrik.

Dalam semikonduktor diperlukan harga mobilitas yang tinggi.

Faktor yang mempengaruhi mobilitas :

Kerusakan dalam susunan Kristal.

Kenaikan temperature T (↑) pasangan e- dan hole (↑), tetapi inti atom pun bergetar

menghambat mobilitas.

Perbandingan mobilitas elektron dan hole pada semikonduktor :

Semikonduktor Eg (eV) Mobilitas e- (m2/Vs)Mobilitas hole

(m2/Vs)

Ge

Si

Ga As

Ga P

In Sb

0.72

1.10

1.40

2.25

0.20

0.3

0.15

> 0.50

0.01

> 6

0.19

0.05

003

0.002

0.30

In Sb mempunyai mobilitas lebih tingi dibandingkan dengan bahan semikonduktor yang

lain.

Penggunaan In Sb sangan sedikit karena Eg nya rendah.

Diperlukan Eg yang relative tinggi untuk bahan – bahan yang dipakai dalam pembuatan dioda

dan transistor.

ARUS DIFUSI DAN ARUS DRIFT

Elektronika 7

Page 8: 1. Semikonduktor

Arus drift : arus yang timbul akibat gerakan – gerakan partikel bermuatan, karena

adanya medan listrik.

Kecepatan gerak partikel tersebut sebanding dengan medan yang diberikan.

Kecepatan elektron :

Bila konsentrasi elektron : n

Hole : p

maka kepadatan (kerapatan) arus J masing-masing:

Arus Diffusi adalah arus yang mengalir akibat adanya perbedaan konsentrasi partikel dari

suatu titik ke titik lain walaupun tanpa medan listrik.

Partikel bermuatan akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah

dengan konsentrasi rendah

Arah gerakannya random (acak)

Gerakan berlangsung terus sampai konsentrasi partikel antara satu titik dengan yang

lainnya sama

Elektronika 8

(A/m2)

+ -

medan listrik (ε)

elektron

hole

Arus (I)

Page 9: 1. Semikonduktor

Hubungan antara konstanta diffusi D dengan kerapatan arus J untuk

hole :

elektron :

Dp : Konstanta Diffusi Hole (m2/sec)

Dn : Konstanta Diffusi Elektron

x : arah gerak partikel dalam sumbu x

Kerapatan arus drift dan diffusi adalah:

Hubungan konstanta diffusi dengan mobilitas :

Rekombinasi adalah kembalinya elektron ke jalur valensi karena bertemu dengan hole→

setelah rekombinasi elektron tidak bebas lagi (menjadi elektron valensi).

Rekombinasi dapat terjadi dengan beberapa cara, yaitu:

Direct transition : peralihan langsung partikel bermuatan dari jalur konduksi ke

jalur valensi. Direct transition hanya terjadi pada jenis-jenis semikonduktor tertentu,

misal Ga As (bahan pembuat LED) dimana peralihan langsung elektron dari jalur

konduksi ke jalur valensi dengan memancarkan energi dalam bentuk cahaya.

Trapping Level : elektron kembali ke jalur valensi melalui satu atau lebih tingkat

energi menengah. Tingkat energi yang menyebabkan elektron kembali ke jalur

valensi disebut perangkap (Trap).

Tingkat perangkat dekat jalur konduksi → perangkat elektron

Tingkat perangkat dekat jalur valensi → perangkat hole.

Elektronika 9

Jalur konduksi

Jalur valensi

Perangkap hole

Perangkap elektron

Direct transition

Page 10: 1. Semikonduktor

Perangkap elektron

Direct transition

Mean Life time (life time ) dari partiel bermuatan adalah waktu rata-rata

untuk terjadinya sebuah hole atau elektron bebas diantara generasi dan

rekombinasi. Biasanya dalam orde (1ns – 1ms)

SEMIKONDUKTOR EXTRINSIC

Karakter semikonduktor dapat diubah dengan menambahkan sejumlah atom impurity tertentu

ke dalam bahan semikonduktor murni (kira-kira 1:107 →1 atom impurity dalam 10 juta atom

semikonduktor murni)

Bahan semikonduktor yang telah mendapat doping ini disebut semiconductor extrinsic .

Ada 2 type semikonduktor extrinsic, yaitu :

o Type n : dibuat dengan menambahkan elemen impurity (doping) yang

mempunyai 5 elektron valensi seperti: Antimony, Arsenic, phorphorus. 4 elektron (e-)

bergabung dengan e- valensi dari Si atau Ge membentuk ikatan kovalen. 1 elektron lagi

tidak terikat, artinya bergerak bebas dalam bahan dan bertindak sebagi donor elektron

untuk atom lain. Kelebihan e- menyebabkan bahan bersifat negatif (dapat memberikan

e-) dan disebut semikonduktor type n.

Atom impurity yang menimbulkan elektron donor disebut Atom donor.

Elektronika 10

Page 11: 1. Semikonduktor

Contoh : doping Antimony (sb) pada semikonduktor Si.

o Tipe P : dibuat dengan doping atom yang mempunyai 3 elektron valensi pada kristal

murni Ge atau Si, seperti Boron, Gallium, dan Indium

Pada struktur ikatan atom yang baru terdapat kekurangan satu elektron untuk

membentuk ikatan dengan 8 elektron pada lintasan terluar (istilah lainnya: terdapat 1

hole) → bahan menjadi semikonduktor Tipe P, Hole bersifat sebagai akseptor terhadap

e- bebas → atom yang menimbulkannya disebut atom akseptor.

Hole dapat berpindah dari suatu atom ke atom lain (hole dapat diisi oleh e- bebas).

Konsentrasi Pembawa :

Dalam bahan semikonduktor, pembawa muatan adalah hole dan elektron

Pada semikonduktor tipe p pembawa muatan mayoritas (jumlah besar) adalah hole dan

elektron sebagai pembawa muatan minoritas.

Type-N → pembawa mayoritas : elektron

→ pembawa minoritas : Hole

Untuk semikonduktor intrinsik → konsentrasi hole sama dengan konsentrasi elektron,

maka dominasi pembawa muatan mayoritas dan minoritas tidak dapat dibedakan.

Elektronika 11

Page 12: 1. Semikonduktor

Gambar (a)

Gambar (b)

Gambar (a) dan gambar (b) menunjukkan konsentrasi pembawa muatan dengan dua cara

penyajian yang berbeda.

Penggunaan Semikonduktor

No. Semikonduktor Penggunaan

1. Barium Titanate Thermistor (PTC)

2. Bismuth Telluride Konversi Thermoelectric

3. Cadmium Sulphide Photoconductive cell

4. Galium Arsenide Dioda, Transistor, LED, Dioda Laser, Generator

microwave

5. Germanium Dioda, transistor

6. Indium Antimonide Magnetaresistor, piezoresistor, inframerah,

Radiation detector

Elektronika 12

Page 13: 1. Semikonduktor

7. Indium Arsenide Piezoresistor

8. Lead Sulphide Infrared-radiation detector

9. Lead Telluride Infrared-radiation detector

10. Metallie Oxides Thermistor (NTC)

11. Silicon Dioda, transistor, rangkaian terintegrasi (IC)

12. Silicon Carbide Varistor (Voltage Sensitive resistor)

13. Zinc Sulphide Electroluminescent device

Elektronika 13