MAKALAH REKAYASA BAHAN

“P-N JUNCTION SEBAGAI SENSOR THERMAL”

Disusun Oleh:

Denny Anjas Pratama 2409.105.007

Rudy Yuniar Purnomo 2409.105.008

Ratih Dwilestari 2409.105.009

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK FISIKA

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2010

ABTRAK

Dua jenis semikonduktor tipe p dan tipe n jika disatukan akan membentuk

sambungan p-n atau diode p-n. Hal ini disebabkan terjadinya perpindahan elektron-

elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari

semikonduktor p menuju semikonduktor n. perpindahan electron Maupin hole ini

hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal. Gabungan dari

semikonduktor ini dapat difungsikaan sebagai sensor termal. Dari karateristik yang

timbul dapat dilihat bahwa respon sensitivitas temperature dapat divariasikan dengan

mengatur tegangan forward bias V.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

P-N junction merupakan gabungan dari semikonduktor tipe n dan tipe p.

Semikonduktor tipe p dan tipe n ini termasuk dalam semikonduktor impurity, dimana

jenis ini membutuhkan tambahan material impurity dalam semikonduktor intrinsik

untuk menambah daya hantar. Semikonduktor tipe p merupakan semikonduktor yang

membutuhkan penambahan impurity untuk menambah jumlah hole yang ada

sedangkan tipe n merupakan semikonduktor yang membutuhkan penambahan

impurity untuk menambah jumlah electron. Namun pada pertemuan atau junction

dari kedua semikonduktor konduktif ini memiliki sifat non-konduktif. Lapisan non-

konduktif ini disebut zona deplesi. Dengan memanipulasi zona deplesi, P-N junction

biasa digunakan sebagai diode atau device semikonduktor lainnya.

1.2. Permasalahan

Permasalahan yang dibahas pada makalah ini adalah bagaimana p-n junction

dapat menjadi sensor termal.

1.3. Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk mengetahui p-n junction dapat

menjadi sensor termal.

1.4. Sistematika Makalah

Sistematika makalah yang digunakan dalam penyusunan makalah ini adalah sebagai

berikut:

Bab I PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang, permasalahan, tujuan dan sistematika makalah.

Bab II TEORI PENUNJANG

Berisi tentang teori-teori kristal, struktur kristal, kerapatan kristal dan contoh soal.

Bab IV PENUTUP

Berisi tentang kesimpulan dan saran beserta daftar pustaka.

BAB II

TEORI PENUNJANG

Junction (persambungan) adalah daerah tempat tipe-P dan tipe-N disambung.

Dioda junction adalah nama lain untuk  kristal P-N. Pada gambar 1 di bawah ini

ditunjukkan simbol dioda dan dioda junction tanpa bias tegangan. Sisi P mempunyai

banyak hole dan sisi N banyak elektron pita konduksi.

Gambar 1 . Simbol Dioda dan Junction Dioda

2.1 Lapisan pengosongan

Gambar 1 menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang

disebut lapisan kosong (depletion layer). Di daerah tersebut terdapat keseimbangan

antara hole dan elektron.Pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima

elektron, sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk

bebas.

Elektron pada sisi N  cenderung berdifusi ke segala arah, beberapa elektron

berdifusi melewati junction. Setiap kali elektron berdifusi melalui juction akan

menciptakan sepasang ion.Tanda positif berwarna merah  menandakan ion positif

dan tanda negatif berwarna merah menandakan ion negatif.

Gambar 2. Dipole pada P-N Junction

Tiap pasang ion positif dan ion negatif pada gambar 2 disebut dipole.

Penciptaan dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole telah dikeluarkan

dari sirkulasi. Jika terbentuk sejumlah  dipole, daerah dekat junction dikosongkan

dari muatan-muatan , daerah kosong ini  disebut dengan daerah /lapisan

pengosongan yang lebarnya 0,5 µm.

2.2 Tegangan barrier ( rintangan )

Pembangkitan tegangan barrier bergantung pada suhu junction, suhu yang

lebih tinggi menciptakan banyak pasangan elektron dan hole, sehingga aliran

pembawa minoritas melewati juction bertambah. Pada suhu 25°C Potensial Barier

pada dioda germanium (Ge)= 0,3 V dan dioda silikon (Si ) = 0,7 V.Potensial barrier

tersebut berkurang 2,5 mV untuk setiap kenaikan 1 derajat Celcius.

2.3 Bias Pada Lapisan P-N

Forward bias pada lapisan P-N

Gambar ilustrasi di bawah menunjukkan sambungan PN.Terminal negatif

sumber/batery dihubungkan dengan bahan tipe-N dan terminal positif dihubungkan

dengan bahan tipe-P, atau tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N sehingga

elektron dari sisi N akan bergerak untuk mengisi hole di sisi P. Kalau elektron

mengisi hole disisi P, akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini

disebut aliran hole dari P menuju N. Kalau mengunakan terminologi arus listrik,

dikatakan terjadi arus listrik dari sisi P ke sisi N. Bias ini disebut bias maju (foward ) 

Gambar 3. Farward Bias

Reverse bias pada lapisan P-N

Pada sambungan reverse bias terminal negatif sumber/battery dihubungkan

dengan bahan tipe-P dan terminal positif dihubungkan dengan bahan tipe-N. Pada

kondisi ini hole dan elektron bergerak menuju ke ujung-ujung kristal (menjauhi

junction), dimana elektron akan meninggalkan ion positif dan hole akan

meninggalkan ion negatif oleh sebab itu lapisan pengosongan akan bertambah

lebar.Makin besar bias makin lebar pula lapisan pengosongan , oleh karena itu arus

listrik sulit/tidak bisa mengalir dari sisi P ke N.Bias ini disebut bias balik (reverse )

Gambar 4. Reverse Bias

Zero Bias

Kondisi equilibrium dapat tercapai pada saat P-N junction tanpa tegangan

eksternal, dimana perbedaan potensial terbentuk di junction. Perbedaan potensial

berikut disebut potensial built-in (Vbi).

Gambar 5. P-n Junction pada equilibrium termal dengan zero bias

Setelah pengggabungan antara tipe p dan tipe n, electron yang berada dekat

dengan p-n interface cenderung menyebar ke daerah p. Sebagai electron difusi,

electron-elektron tersebut meninggalkan ion bermuatan positif (donor) di wilayah n.

Hal yang sama terjadi pada hole yang berada dekat dengan p-n interface, hole akan

berdifusi ke daerah n dan meninggalkan ion negative (akseptor). Akibatnya, dareh

dekat p-n kehilangan netralitsnya dan menjadi bermuatan serta membentuk lapissan

deplesi.

Medan listrik terjadi di space charge region berlawanan dengan proses difusi

untuk electron dan hole. Terdapat dua fenomena yang terjadi yaitu proses difusi

cenderung menghasilkan space charge yang cenderung melawan difusi. Space

charge region merupakan zona yang terjadi oleh ion tetap (donor atau akseptor)

yang telah ditinggalkan oleh carrier difusi mayoritas.

Gambar 6. P-N junction zero bias dengan plot muatan,

medan listrik dan tegangan

2.4 Prinsip P-N junction sebagai sensor thermal

Pada p-n junction dengan fungsi sebagai sensor thermal, arus I dari diode p-n

junction memberikan tegangan forward bias seperti ini :

……pers.1

Dimana :

q = muatan listrik

A = luasan / area

Nn = pembawa mayoritas di area n

Np = pembawa di area p

Nd = konsentrasi donor

Na = konsentrasi acceptor

De = koefisien difusi electron

Dh = koefisien difusi hole

Lc = Panjang difusi electron

Lh = panjang diffuse hole

K = konstanta Boltman

Vd = potensial diffuse

Untuk qV >> kT seperti V > 0.1 maka persamaan 1 dapat ditulis sebagai berikut :

..pers.2

Untuk memberikan tegangan bias V ke diode p-n junction, arus diode I pada

persamaan 2 memiliki hubungan yang kuat dengan temperature T karena nilai

lainnya akan tetap konstan. Persamaan 1 dapat ditulis kembali menjadi :

……………………….pers.3

…………………………………pers.4

…………………..pers.5

Dari persamaan 2, kita dapat melihat bahwa log I sebanding dengan 1/T, dan

S menjadi sebanding dengan log I tetapi berkebalikan dengan 1/T. Dari karateristik

ini dapat dilihat bahwa respon sensitivitas temperature dapat divariasikan dengan

mengatur tegangan forward bias V. Potensial difusi memiliki keterkaitan yang kecil

dengan temperature T melalui keterkaitan dengan level Fermi. Walaupun,

keterkaitan ini diabaikan oleh sambungan diode yang terdiri dari doping p+ dan n+

selama rentang suhu yang lama.

Untuk tegangan forward bias V yang diberi tegangan konstan, maka

pesamaan yag didapat yaitu :

………………pers.6

……………………………………..pers.7

………………………………………...pers.8

Persamaan 6 memiliki bentuk yang sama dengan thermistor NTC dan B pada

pada persamaan 8 memiliki persamaan dengan konstanta B thermistor. Dari

persmaan ini dapat disimpulkan bahwa P-N junction dapat digunakan sebagai

thermistor NTC. Dimana thermistor merupakan salah satu sensor thermal. Dan pada

kenyataannya, sensor thermal dengan p-n junction masih membutuhkan penguat

untuk menghasilkan tegangan bias yang stabil.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dari uraian materi yang telah dibahas sebelumnya maka diperoleh kesimpulan

sebagai berikut :

1. Depletion layer memiliki keseimbangan antara hole dan elektron sebab sisi P

banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron, sedangkan di sisi N

banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas.

2. Forward bias terjadi karena tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N

sehingga elektron dari sisi N akan bergerak untuk mengisi hole di sisi P.

3. Reverse Bias disebabkan hole dan elektron bergerak menuju ke ujung-ujung

kristal (menjauhi junction), dimana elektron akan meninggalkan ion positif dan

hole akan meninggalkan ion negatif

4. Sensor thermal dengan p-n junction masih membutuhkan penguat untuk

menghasilkan tegangan bias yang stabil.

3.2 Saran

Dalam pembuatan makalah rekayasa bahan mengenai sambungan p-n junction

sebagai sensor termal, masih banyak terdapat kekurangan yang perlu

disempurnakan agar wawasan yang diterima lebih banyak dan dimengerti secara

keseluruhan dan tidak terjadi salah pemahaman.

DAFTAR PUSTAKA

1. Zambuto Mauro, “Semiconductor Devices”, McGraw-Hill International.

2. P-N Junction, www.sciendirect.com/p-n junction.html

3. P-N Junction, www.wikipedia.org.com

4. P-N Junction, www.semangat-belajar.com