31/10/2008

1

Anhar, ST. MT.Lab. Jaringan KomputerFT-UNRIhttp://anhar.net63.net

KOMPONEN ELEKTRONIKAIII. DASAR SEMIKONDUKTOR

Outline

Struktur atomSemikonduktor konduktor dan insulatorSemikonduktor, konduktor dan insulatorIkatan kovalen

Konduksi pd semikonduktorSemikonduktor tipe-N dan tipe-PDioda

Bias pd diodaBias pd diodaKarakteristik arus-tegangan pd diodaModel dioda

Pengetesan dioda

31/10/2008

2

Komponen elektronika spt dioda, transistor, dan IC terb at dr bahan semikond ktorterbuat dr bahan semikonduktor.Utk memahami cara kerja komponen tsb, kita harus paham struktur atom daninteraksi atom sbg bahan pembuatnya.

Semua material terbuat dr atom yg merupakan bagian terkecil dr partikelbagian terkecil dr partikel.Setiap material memiliki karakteristik dan struktur atom yang unik.Menurut klasifikasi atom menurut Bohr, atom memiliki struktur spt planet yg terdiri dr pusat nucleus yg dikelilingi oleh elektron2 yg berorbit.

31/10/2008

3

Nukleus terdiri dr muatan positif g diseb t proton dan partikel yg disebut proton dan partikel

tdk bermuatana yg disebut neutron.Partikel yg bermuatan negatif disebut elektron.

Tiap jenis atom memiliki jumlah elektron dan proton g berbeda dr atom g lainn ayg berbeda dr atom yg lainnya.

Gbr atom hidrogen dan helium.

31/10/2008

4

Bilangan atomikSetiap elemen disusun dlm tabel periodik elemen sesuai bilangan atomiknya.Bilangan atomik = jml proton dlm nukleus, yg sama dng jmlh elektron dlm elektritas atom seimbang.Contoh : hidogen memiliki bilangan atomik 1, yg berarti pd keadaan normal, jmlh proton dan elektronnya sama sehingga atom menjadi tdk bermuatan.

Orbit dan Lintasan elektronOrbit elektron dr suatu atom berada pd jarak tertentu dr nukleus.Elektron yg dekat ke nukleus memiliki energi yg lebih kecil dibanding yg lebih jauh dr nukleus.Elektron hanya memiliki nilai energi tertentu sesuai dng struktur atomnya.

31/10/2008

5

Level EnergiS i j k di k i ( bi ) d kl b h b k i Setiap jarak diskrit (orbit) dr nukleus berhubungan ke energi pd level tertentu.Dlm atom, orbit2 dikelompokkan ke band energi yg dikenal Lintasan.

Setiap atom memiliki bilangan Lintasan yg tetap.Tiap Lintasan memiliki elektron dng jmlh maksimum yg tetap p g j yg ppd level energi yg diijinkan.Perbedaan dlm level energi dlm sebuah Lintasan adlh lebih kecil dibanding perbedaan energi antar Lintasan.

Lintasan-Lintasan ditandakan 1,2,3 dst, dng 1 yg paling 1,2,3 dst, dng 1 yg paling dekat ke nukleus. (Bisa juga K,L,M dst)Gbr menunjukkan Lintasan pertama dng 1 level energi dan Lintasan kedua dng 2 level energi,level energi,

31/10/2008

6

Elektron ValensiEl kt bit l bih j h d kl iliki i l bih ti i Elektron yg orbitnya lebih jauh dr nukleus memiliki energi yg lebih tinggi dan ikatan ke atom yg lebih kecil dibanding yg dekat ke nukleus.

Hal ini disebabkan gaya tarik yg menjadi semakin kecil antara proton dan elektron semakin bertambahnya jarak thdp nukleus.

Elektron dng energi tertinggi ada di Lintasan yg paling luar dr atom dan relatif memiliki ikatan yg paling tdk kuat.

Lintasan terluar disebut Lintasan valensi dan elektron pd Lintasan ini disebut elektron valensi.

Elektron valensi memiliki kontribusi thdp reaksi kimia dan ikatan struktur dr suatu material.

IonisasiBil i d b / h i Bila atom menyerap energi dr sumber panas/cahaya, energi elektron bertambah.Elektron valensi memiliki energi yg lebih besar dan lebih lemah ikatan atomnya sehingga mereka dpt dng mudah melompat ke orbit yg lebih rendah diikuti dng memancarkan energi.

Bila elektron valensi memiliki energi yg cukup, ia dpt melepaskan diri dr Lintasan terluarnya dan pengaruh atom.Perpindahan elektron valensi dr atom neutral sebelumnya bisa terjadi.Proses hilangnya elektron valensi disebut ionisasi, dan atom positif yg dihasilkan disebut ion positif.

31/10/2008

7

Jumlah elektron pd tiap LintasanMMak jmlh elektron yg boleh ada pd tiap Lintasan dr atom dihitung dng rumus :

Ne = 2n2

dimana n : bil LintasanMak jmlh elektron yg boleh ada pd Lintasan j yg pterdalam (Lintasan 1) adalh :

Ne = 2n2 = 2(1)2 = 2

Semua material terbuat dr atomdr atomAtom memiliki kontribusi sifat listrik thdp material, termasuk mengantar arus lisitrik.Gbr atom karbon, yg banyak digunakan pd resistor.

31/10/2008

8

KonduktorM i l d h k li ikMaterial yg mudah mengantarkan arus listrik.Contoh konduktor yg baik spt tembaga, perak, alumunium, yg dikarakteristikkan dng 1 atom valensi yg sangat lemah ikatannya thdp atom.

Elektron valensi ini dpt dng mudah menjadi elektron bebas.Oleh karena itu, material konduktor memiliki banyak elektron , ybebas, yg bila pindah dlm rekasi yg sama dpt membuat arus listrik

IsolatorBahan yg tdk mengantarkan arus listrik dlm kondisi normal.Isolator yg baik terdiri dr satu jenis material.Elektron valensinya terikat kuat ke atom, sehingga hanya sedikit memiliki elektron bebas.

31/10/2008

9

SemikonduktorMMaterial antara konduktor dan isolator yg memiliki kemampuan utk mengantarkan arus listrik.Semikonduktor dlm keadaan murninya bukan konduktor atau isolator yg baik.Contoh : silicon, germanium dan carbon.Dikarakteristikkan dng atom dng 4 elektron valensi.

Pita EnergiLi l i d j kk i l l iLintasan valensi dr atom menunjukkan pita level energi.Bila elektron memiliki energi tambahan yg cukup, ia dpt meminnggalkan Lintasan valensi, menjadi elektron bebas, dan berada dlm pita konduksi.

Perbedaan energi antara pita valensi dan konduksi disebut gap energi. Ini adlh jumlah energi yg harus dimiliki elektron valensi utk dpt melompat ke pita konduksi.Setelah berada dlm pita konduksi, elektron dpt bebas bergerak melewati materialnya.

31/10/2008

10

Gbr energi diagram dr 3 jenis material

Perbandingan atom semikonduktor dan konduktor

31/10/2008

11

Silikon dan GermaniumEl kt l i i b d d Li t k 4 b ti it i Elektron valensi germanium berada pd Lintasan ke 4 yg berarti pita energi lebih tinggi.

Ikatan KovalenGb 4 b h ilik b d k b k k i l Gbr 4 buah atom silikon yg berdekatan membentuk kristal silikon.

31/10/2008

12

Atom silikon dng 4 elektron valensinya menshare 1 elektronnya dng 4 elektron tetangganya.

Sharing ini menghasilkan ikatan kovalen yg berpegangan bersama2.

Gbr ikatan kovalen instrintik kristal silikon.

Konduksi dlm Semikonduktor

Elektron atom hanya dpt ada pd pita energi ada pd pita energi tertentu.Tiap Lintasan berhub dng pita energi tertentu, dipisahkan dng energi gapgap.

31/10/2008

13

Elektron dan Hole KonduksiK i l ilik i (i i ik) d h iliki i Kristal silikon murni (instrintik) pd suhu ruang memiliki energi panas yg cukup bagi beberapa elektron valensi utk melompat dr pita valensi menuju pita konduksi, menjadi elektron bebas.Elektron bebas disebut elektron konduksi.

Bila elektron melompat menuju pita konduksi, posisi yg ditinggalinya pd pita valensi disebut hole.Rekombinasi terjadi bila elektron pd pita konduksi kehilangan energi dan kembali jatuh ke hole di pita valensi.

Diagram energi dan ikatan

31/10/2008

14

Ringkasnya, sepotong silikon instrintik pd suhu silikon instrintik pd suhu ruang memiliki sejumlah elektron pd pita konduksi yg tdk tertarik ke sembarang atom dan pd dasarnya bergerak bebas pd material. Juga ada sejumlah hole pd pita valensi yg diakibatkan bila elektron melompat ke pita konduksi.

Arus elekron Bil dib ik d ili i i ik h l Bila tegangan diberikan pd silicon instrintik, secara thermal dibangkitkan elektron bebas pd pita konduksi, yg bebas bergerak secara random dlm struktur kristal, sekarang secara mudah ditarik kedepan ujung positif. Pergerakan elektron bebas dikenal arus elektron.

31/10/2008

15

Arus HoleA di kib tk k h l kib t diti l l kt b bArus yg diakibatkan pergerakan hole akibat ditinggal elektron bebas.

Semikonduktor Tipe N dan P

Bahan semikonduktor tdk menghantarkan arus dng baik.Hal ini disebabkan jmlh elektron bebas yg terbatas pd pita Hal ini disebabkan jmlh elektron bebas yg terbatas pd pita konduksi dan hole pd pita valensi.Silikon intrintik hrs dimodifikasi dng meningkatkan jmlh elektron bebas/hole agar konduktifitasnya meningkat dan membuatnya berguna dlm perangkat elektronika.

Hal ini dilakukan dng menambahkan ketidakmrnian ke l k k d l k b kmaterial instrintik spt yg akan dijelaskan berikut.

31/10/2008

16

DopingMMerupakan suatu proses untuk meningkatkan konduktivitas bhn semikonduktor dng mengontrol penambahan ketidakmurnian thdp bhn semikkonduktor instrintik.Hal ini akan meningkatkan jmlh pembawa arus

/(elektron/hole)Jenis ketidakmurnian yg ada :

Tipe NTipe P

Semikonduktor Tipe NSilikon instrintik yg ditambahkan atom pentavalent utk meningkatkan jmlh elektron pd pita konduksi dinamakan semikonduktor tipe N.Contoh atom pentavalent : arsenic (As), bismuth (Bi), antimony (Sb).

31/10/2008

17

Tiap atom pentavalent (dlm kasus ini Sb) (dlm kasus ini Sb) membentuk ikatan kovalent dng 4 atom silicon tetangganya.Ada 1 elektron dr atom Sb yg bebas dan tdk memiliki yg bebas dan tdk memiliki ikatan.Atom ini dikenal sbg atom donor

Krn kebanyakan pembawa arusnya adlh elektron, silikon g didoping dng atom penta alen diseb t silikon yg didoping dng atom pentavalen disebut semikonduktor tipe N.Elektron nya dikenal sbg pembawa mayoritas.Selain elektron, ada juga sedikit hole yg dibuat oleh pasangan elektron-hole.Hole ini dikenal sbg pembawa minoritas.

31/10/2008

18

Semikonduktor Tipe PUtk meningkatkan jmlh hole pd silikon instrintik, atom yg tdk murni trivalent ditambahkan.Contoh atom ini : boron (B), indiun (In) dan gallium (Ga)

Krn hanya 3 elektron valensi dr Baron yg digunakan membentuk ikatan dng atom silikon tetangganya membentuk ikatan dng atom silikon tetangganya, makan terbentuklah 1 hole.Atom trivalen ini cendrung utk mengambil elektron, maka disebut atom penerima.Krn kebanyakan pembawa arusnya adlh hole, silikon

did i d t t i l di b t ik d kt yg didoping dng atom trivalen disebut semikonduktor tipe P.Hole merupakan pembawa mayoritas dan elektronnya pemawa minoritas.

31/10/2008

19

Dioda

Semikonduktor tipe P terdiri dr atom silikon dan atom trivalen yg tdk murni spt Baron. Atom baron menambahkan hole bila yg tdk murni spt Baron. Atom baron menambahkan hole bila ikatan dibentuk dng silikon. Namun, jmlh protono dan elektron pd dsarnya netral hingga material ini netral.Semikonduktor tipe N terdiri dr atom silikon dan atom pentavalen spt antimoni. Krn pd dsarnya jmlh proton = elektron, maka atom ini netralSepotong silikon intrintik didoping sehingga satu bag tipe N Sepotong silikon intrintik didoping sehingga satu bag tipe N dan bag yg lain tipe P, terbentuklah sambungan pn pd perbatasan antara dua daerah dan terbentuklah dioda.

Daerah p banyak hole (pembawa hole (pembawa mayoritas) dan hanya sedikit atom bebas (pembawa minoritas)Daerah N banyak elektron bebas elektron bebas (pembawa mayoritas) dan sedikit hole (pembawa minoritas)

31/10/2008

20

Pembentukan Daerah DefleksiDi l b k j i l k b b d d h Di awal pembentukan juntion, elektron bebas pd daerah n mendekati pn juntion dan mulai utk berdifusi dan jatuh ke hole yg ada di p.Utk setiap elektron yg berdifusi dan jatuh ke hole, muatan positif muncul disebelah kiri daerah n dan muatan negatif di daerah p

Dua lapisan + dan – ini mebentuk daerah defleksiPerbedaan potensil dr medan magnet pd daerah defleksi merupakan teg yg dibuthkan utk memindahkan elektron=potensial barrier. 0.7 utk silikon dan 0.3 utk germanium

31/10/2008

21

Diagram Energi dr PN Junction dan Daerah Defleksi

Pd keadaan seimbang tdk ada lagi elektron bebas di n g pindah ke hole di pdi n yg pindah ke hole di p.Pd keadaan seimbang ini juga terbentuk energi yg dibutuhkan agar elektron pd n dpt memanjat utk mendptkan daerah p. Disebut bukit energi.

31/10/2008

22

Pembiasan Dioda

Pembiasan adlh mengacu kepada penggunaan tegangan dc nt k membent k kondisi operasi tegangan dc untuk membentuk kondisi operasi tertentu suatu komponen elektronikaPd dioda, ada 2 bias :

Bias majuBias mundur

Kedua bias ini dibentuk dng menghubungkan tegangan dc yg memenuhi utk melewati juntion pn

Bias majuT bi (Vbi ) if dih b k d h b likTeg bias (Vbias) negatif dihub ke daerah n, sebaliknya.Vbias harus lebih besar dr potensial barrier

31/10/2008

23

Sisi negatif Vbias mendorong elektron2 bebas utk melewati pn junctionmelewati pn junction.Aliran elektron ini disebut arus elektronElektron yg sudah sampai di p bergabung dng hole

Pengaruh bias maju thdp daerah defleksifSemakin banyak elektron melewati daerah defleksi,

jmlh ion positif semakin berkurang, begitu pula sebaliknya.

31/10/2008

24

Bias MundurfKonfigurasinya :

Sisi positif dr Vbias mendorong elektron bebas utk menja hi pn j nction Begit p la sisi negatifmenjauhi pn junction. Begitu pula sisi negatif.Akibatnya daerah defleksi semakin membesar

31/10/2008

25

Karakteristik Arus-Tegangan dr DiodaKarakteristik V-I utk bias maju

31/10/2008

26

Hub arus dan tegangan pd bias maju

Tiga titik A, B, dan C:Ti ik A k di i biTitik A = kondisi zero-biasTitik B = kondisi teg maju < potensial barrierTitik C = kondisi teg maju≈ potensial barrier

Resistansi dioda yg tdk linear dinamakan resistansi dinamik (r’d)

31/10/2008

27

Karakteristik V-I utk bias mundurBil ki b ik bi d di d k Bila kita terus menerus memberikan bias mundur dioda, maka arus akan turun cukup besar pd teg breakdown.

Kurva lengkap karakteristik V-I

31/10/2008

28

Model Dioda

Struktur dan Simbol DiodaD h k dDaerah n = katodaDaerah p = anoda

Rangkaian bias maju dan bias mundur pd dioda

31/10/2008

29

Model dioda ideal

Dioda dianggap sbg saklar sederhanaPotensial barrier diabaikanPotensial barrier diabaikanResistansi dinamik dioda juga diabaikan

Saat dibias maju :Oleh karena itu :

Pada saat dibias mundur :Dan teg biasnya :

31/10/2008

30

Model Dioda Praktek

Mempertimbangkan potensial barrier pd saklar idealideal.

Saat dibias maju :ffGunakan hk. Tegangan kirchoff, sehingga :

Substitusikan dan cari If :

Dioda diasumsikan memiliki arus balik nol seperti Dioda diasumsikan memiliki arus balik nol, seperti ditunjukkan pd grafik.

31/10/2008

31

Model dioda yg sempurna

Terdiri dr potensial barrier, resistansi dinamik maju, resistansi m nd r g besarresistansi mundur yg besar.

Persamaan yg digunakan utk model tsb :

31/10/2008

32

Contoh soal :T t k t d j di d d b ( ) tk i 2a) Tentukan tegangan dan arus maju dioda pd gambar (a) utk masing2model dioda. Tentukan pula tegangan yg melewati resistor pd tiapkasus. Asumsikan r’d=10 ohm pd arus masju.

b) Tentukan tegangan dan arus mundur pd masing2 dioda utk gambar(b). Tentukan pula tegangan yg melewati resistor pd tiap kasus.Asumsikan IR=1µA.

Penyelesaian :

31/10/2008

33

Jenis-jenis Dioda

31/10/2008

34

Pengetesan Dioda

Pengetesan dioda yg baik

Pengetesan dioda yg buruk