Makalah Bahan Semikonduktor

5/19/2018 Makalah Bahan Semikonduktor

1/10

Makalah Bahan Semikonduktor

BAHAN SEMIKONDUKTOR

Karakteristik Bahan Semikonduktor

Semikonduktor elemental terdiri atas unsur unsur pada system periodik golongan IV A

seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbon semikonduktor ditemukan dalam

bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga

dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor

laser.

Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur

periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA

(valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan

III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.

Tabel 1: karakteristik semikoduktor

Semikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting

dalamelektronika.Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan

mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk

tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-

atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Padatemperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga

tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Gambar 1: Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi


2/10

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk

silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron

mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita

valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2).Besarya energi yang diperlukan

untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang ( energy

gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada

daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang

ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang

memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi

dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat

yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.

Gambar 2: Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen

yang terputus

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arus drift dapat dituliskansebagai

berikut

Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing

bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibatadanyapengaruh medan listrikAkibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus

dinyatakan sebagai:

konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka

padasemikonduktor murni,

Tabel 2: Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K

Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada

semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita

konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk

elektronhole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.


3/10

Gambar 3: Celah energy

Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)

Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel

periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2) Elemen

semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkanpada tabel

Tabel 2: Elemen semikonduktor pada tabel periodic

Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom

pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-

atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki

muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi

kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa

sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang

kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan

dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut

semikonduktor tipe-n karenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom

donor.Secaraskematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar.

Gambar 4: Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan

posisi salah satu atom silicon.

Semikonduktor tipe-p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapatdibuat

dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau

indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini

mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan


4/10

kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk

tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisasebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak

berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses

pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada

kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini

disebutsebagai atom aseptor (acceptor).

Generasi dan Rekombinasi

Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung

pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam

elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur Tdinyatakan dengan kT, dimana k adalah

konstanta Boltzmann. Analisa secara statistic menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron

valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengan e eVG kT / . Jika energi gap eVG

berharga kecil dan temperatur T tinggimaka laju generasi termal akan tinggi.Pada

semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan

menghilang.Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik,

tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R

akan berharga rendah; sebaliknyaRakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam

jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanyatersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga

sangattinggi.Secara umum dapat dituliskan:

R r n p (6.3)

dimanar menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju

generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi atau dengan kata lain perkalian

konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui

proses doping), yang lain harus berkurang.Bahan Semikonduktor 61. Jika kita menambanhkan

atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada

suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donor ND>>ni, dengan konsentrasi

elektron sebesar

Model Setara Penguat


5/10

Secara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat

tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguatadalah

mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output) yang besarnya

sebanding dengan masukan. Besarnya tegangan keluaran (vo) dibandingkan dengan tegangan

masukan (vi) dinyatakan sebagai

v =A v

Pada paragrap sebelumnya telah dijelaskan bagaimana semikonduktor sambungan NPN

atau PNP terbentuk menjadi sebuah transistor. Pada beberapa rangkaian elektronik transistor

sering difungsikan sebagai elemen penguat dan saklar terkendali. Dua hal yang membedakan,

bila transistor dioperasikan sebagai penguat pemberian tegangan bias diletakkan pada daerah

aktif (linier), sedangkan apabila transistor bekerjasebagai saklar pemberian tegangan bias berada

pada daerah hantaranpenuh/sumbatan penuh (non linier).

Karakteristik masukan

Untuk memudahkan pengertian secara kualitatif perilaku dari bentukkarakteristik

masukan dan keluaran suatu transistor dapat dipandang sebagai ekivalen dari dua buah diodayang saling bertolak belakang dengan posisi katodanya saling dihubungkan.Gambar 1

memperlihatkan suatu simbol dan rangkaian pengganti transistor-npn, dimana pada daerah aktif

susunan dioda antara emitor-basis mendapat tegangan bias maju (forward biased).Suatu sifat

penting dari karakteristik masukan arus tegangan adalah menyerupai sifat sumber tegangan

konstan yang ditandai dengan adanya tegangan ambang (V) dengan arus emitor kecil.Umumnya,

besarnya tegangan ambang (V) kira-kira


6/10

Gambar 1 : Bias dan rangkaian pengganti transistor-NPN

Agar supaya mudah dipahami, maka bentuk kurva dari karakteristik masukan dapat kita

pandang sebagai perubahan tegangan basis emitor (VBE) dengan mengkondisikan tegangan

antara kolektor-emitor (VCE) konstan.Persamaan (2.232) memperlihatkan kemiringan kurva

hubungan fungsi perubahan antara arus kolektor (IC) terhadap tegangan basis emitor (VBE) pada

saat tegangan kolektor-emitor (VCE) dikondisikan konstan.Gambar 1.memperlihatkan

karakteristik masukan, dimana absis adalah arus basis (IB) dan ordinat menggambarkan tegangan

basis ke emitor (VBE) untuk berbagai nilai tegangan kolektor-emitor (VCE). Pertama dapat

diamati untuk tegangan kolektor emitor hubung singkat (VCE=0) dengan basis emitor terbias

maju. Dengan kondisi seperti ini, karakteristik masukan dari transistor pada hakekatnya

menyerupai diode persambungan yang terbias maju. Dan apabila tegangan basis menjadi nol,

maka arus basis (IB) akan berada pada nilai nol juga, karena dalam keadaan ini kedua

persambungan antara kolektor dan emitor dalam kondisi hubung singkat (short-circuited). Pada

kenyataanya menaikan tegangan |VCE| dengan kondisi tegangan basis emitor (VBE) tetap

konstan, maka akan menyebabkan penurunan arus rekombinasi basis.

(a) (b)

Gambar 2: (a) Karakteristik masukan IB=f(VBE) dan (b) transfer IC=f(VBE)

Pemberian bias tegangan dc pada rangkaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level

tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor level tegangan dan arus

yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga

menentukan daerah kerja transistor. Oleh karena titik kerja tersebut merupakan titik yang tetap

dalam kurva karakteristik, yang disebut dengan titik-Q (atau Quiescent Point).

Pada dasarnya titik kerja suatu rangkaian penguat bisa diletakkan dimana saja di kurva

karakteristik.Agar rangkaian penguat dapat menguatkan sinyal dengan linier atau tanpa cacat,

maka titik kerja transistor ditempatkan di tengah daerah aktif.Disamping itu agar titik kerja tidak


7/10

diletakkan diluar batas maksimum dari arus maupun tegangan yang sudah ditentukan oleh pabrik

untuk menjaga transistor dari kerusakan. Berikut gambar kurva karakteristik transistor dengan

empat buah contoh titik kerja yang diberi nama A, B, dan C.

Kurva Karakteristik Output Transistor

kurva karakteristik transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja

transistor,bias tegangan transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja

transistor,definisi titik kerja transistor Pada gambar diatas terlihat arus IC maksimum adalah 40

mA dan tegangan VCE maksimum sebesar 20 Volt. Disamping nilai arus dan tegangan

maksimum tersebut yang tidak boleh dilampaui adalah daya kolektor maksimum PCmaks.Dalam

gambar PCmaks ini ditunjukkan oleh garis lengkung putus-putus.PCmaks atau disipasi daya

kolektor maksimum ini merupakan perkalian IC dengan VCE.Dengan demikian titik kerja harus

diletakkan di dalam batas-batas tersebut.

Transistor yang bekerja pada titik A kurang begitu memuaskan karena termasuk pada

kurva non-linier, sehingga sinyal output yang dihasilkan cenderung cacat. Demikian juga pada

titik C, karena terletak hampir pada batas kemampuan VCE transistor. Disamping itu transistor

juga akan cepat panas. Titik B merupakan pilihan terbaik sebagai titik kerja transistor sebagai

penguat, karena terletak di tengah-tengah, sehingga memungkinkan transistor dapat menguatkansinyal input secara maksimum tanpa cacat. Agar transistor bekerja pada suatu titik kerja tertentu

diperlukan rangkaian bias. Rangkaian bias ini akan menjamin pemberian tegangan bias

persambungan E-B dan B-C dari transistor dengan benar. Transistor akan bekerja pada daerah

aktif bila persambungan E-B diberi bias maju dan B-C diberi bias mundur. kurva karakteristik

transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja transistor,bias tegangan

transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titi,k kerja

transistor,faktor penentu output, faktor penguatan transistor,daerah aktif transistor,daerah mati

transistor,cutt off transistor,daerah jenuh transistor Dalam praktek dikenal berbagai bentuk

rangkaian bias yang masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugian. Kemantapan kerja

transistor terhadap pengaruh temperatur merupakan faktor yang perlu diperhatikan dalam

menentukan bentuk rangkaian bias. Karena perubahan temperatur akan mempengaruhi (factor

penguatan arus pada CE) dan arus bocor ICBO.


8/10

Konduktivitas

Sifat dari bahan konduktor adalah tidak adanya medan listrik di dalam konduktor.

Pernyataan ini benar jika konduktor dalam keadaan keseimbangan statis. Tujuan dari

pembicaraan ini adalah ingin menggambarkan apa yang terjadi jika muatan bergerak dalamkonduktor. Muatan yang bergerak dalam sebuah konduktor, akan menghasilkan arus di bawah

pengaruh medan listrik. Medan listrik ini muncul karena adanya pergerakan muatan sehingga

situasinya non-elektrostatis. Keadaan ini sedikit berlawanan dengan situasi untuk

keseimbangan elektrostatis di mana muatan dalam keadaan diam sehingga tidak ada medan

listrik di dalam. Muatan listrik yang dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain adalah

muatan elektron. Elektron-elektron yang mudah berpindah disebut elektron bebas.Elektron-

elektron bebas dalam logam merupakan gas elektron yang pada suhu sangat tinggi 70.000C

bersifat sebagai gas sempurna.Elektron-elektron bebas ini bergerak bebas di dalam sebuah bahan

konduktor. Sehingga pada saat tertentu elektron-elektron ini akan berbenturan dengan elektron

bebas yang lain. Dengan jumlah elektron bebas yang besar maka bahan konduktor mudah

mengalirkan muatan listrik.Bahan konduktor yang baik dan sempurna jika mempunyai nilai

konduktivitas yang besaryaitu (mendekati tak terhingga besarnya).Sebaliknya untuk hambatan

atau hambatan jenisnya mempunyai nilai mendekati nol atau sangat kecil.

Bagaimana untuk isolator?Untuk isolator konduktivitas, hambatan, hambatan jenis, dan sifat

elektron adalah berharga sebaliknya dengan konduktor.Konduktor dan isolator adalah suatu

bahan yang mempunyai sifat kebalikan misalnya III untuk bahan konduktor mempunyai

konduktivitas sangat besar sedang isolator sangat kecil.Konduktor mempunyai hambatan atau

hambatan jenisnya kecil sedang untuk isolator hambatan atau hambatan jenisnya

besar.Bagaimana untuk material atau bahan semikonduktor?Semikonduktor adalah suatu bahan

atau benda yang mempunyai sifat sebagai konduktor dan isolator. Dengan kata lain bahan

semikonduktor mempunyai kemampuan mengalirkan muatan di bawah sifat konduktor dan diatas sifat isolator. Untuk mendapatkan sifat konduktor dari bahan semikonduktor biasanya

dilakukan penambahan jenis atom lain dengan konsentrasi tertentu atau disebut pendopingan.

Contoh bahan ini adalah germanium, Ge dan silikon, Si.Bahan semikonduktor dapat dijumpai

dalam penggunaan bahan-bahan elektronika.


9/10

Tabel diatas menunjukkan bahwa nilai konduktivitas untuk bahan isolator dan konduktor

mempunyai rentang yang sangat besar.

PENGUAT TRANSISTOR

Transistor merupakan komponen dasar untuk system penguat. Untuk bekerja sebagai

penguat , transistor harus berada dalam keadaan aktif. Kondisi aktif dengan memberikan bias

pada transistor.

Ada 3 Macam konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu :

1. Common-Emitter (CE) atau Emitter ditanahkan

2. Common-Base (CB) atau Basis Ditanahkan dan

3. Common-Collector (CC) atau Kolektor ditanahkan.

A. Penguat Common Base (Basis Ditanahkan)

Penguat common base adalah penguat yang kaki basis transistor di groundkan atau

ditanahkan, lalu input dimasukkan ke emitor dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat

Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.

1. Penguat Common Base Mempunyai Karakter sebagai berikut :

Adanya isolasi yang tinggi dari output ke input sehingga meminimalkan efek umpan

balik.

Mempunyai impedansi input yang relative tinggi sehingga cocok untuk penguat sinyal

kecil (Pre Amplifier)

Sering dipakai pada penguat frekuensi tinggi pada jalur VHF dan UHF

Bisa juga dipakai sebagai buffer atau penyangga.

B. Penguat Common Emitter (Emitor ditanahkan)

Penguat common emitter adalah penguat yang kaki emitter transistor di groundkan atau

ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat

Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.


10/10

1. Penguat Common Emiter Mempunyai Karakter sebagai berikut :

Sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat terhadap sinyal input

Sangat mungkin terjadi isolasi karena adanya umpan balik positif , sehingga sering

dipasang umpan balik negative untuk mencegahnya.

Sering dipakai pada penguat frekuensi rendah (terutama pada sinyal audio)

Mempunyai stabilitas penguatan yang rendah karena bergantung pada kestabilan suhu

dan bias transistor.

C. Penguat Common collector (kolektor ditanahkan)

Penguat common kolektor adalah penguat yang kaki kolektor transistor di groundkan atau

ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki emitor. Penguat

Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat Arus

1. Penguat Common kolektor Mempunyai Karakter sebagai berikut :

Sinyal outputnya sefase dengan sinyal input

Mempunyai penguatan tegangan sama dengan 1

Mempunyai prnguatan arus sama dengan HFE transistor

Cocok dipakai untuk penguat penyangga karena mempunyai impedansi output yang

rendah.

Makalah Bahan Semikonduktor

Documents

Transcript of Makalah Bahan Semikonduktor