PITA ENERGI

PRADITA AJENG WIGUNA (4211412011)

Jurusan FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Negeri Semarang

TEKNOLOGI SEMIKONDUKTOR

Kata “Semikonduktor” sangat identik dengan peralatan Elektronika yang kita pakai saat ini. Hampir setiap peralatan Eletronika canggih seperti Handphone, Komputer, Televisi, Kamera bahkan Lampu penerang LED juga merupakan hasil dari Teknologi Semikonduktor.

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor.

Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

LECTURE OUTLINE

Studi tentang semikonduktor yaitu dengan melihat material apa yang banyak digunakan sebagai bahan dasar pembuat semiconductor device

Diagram pita energy merupakan representasi dari pembawa energi dalam bahan semikonduktor dan akan berhubungan dengan sebuah representasi ikatan orbital

Sebuah devices membutuhkan material dengan karakteristik tertentu, perlakuan doping, pengaturan induksi dari impuriti

Penjelasan mengenai elektron dan hole, seperti halnya material semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik

TINGKAT ENERGI ELEKTRON

Sebuah elektron bebas dapat mengasumsikan setiap tingkat energi (kontinu)

Mekanika kuantum memprediksi sebuah ikatan electron hanya bisa mengasumsikan tingkat energi diskrit

Hasil dari interaksi antara elektron dan inti proton

PITA ENERGI KRISTAL

Kristal terdiri dari sejumlah besar atom (≈1022 cm-3 untuk silikon)

Interaksi antara elektron dari setiap atom dan proton atom lain. Hasilnya adalah dari setiap tingkat energi diskrit untuk membentuk kontinum di tingkat energi sebelumnya

IKATAN KOVALEN

Kristal silikon dibentuk oleh ikatan kovalen

Ikatan kovalen berbagi elektron antara atom dalam kisi sehingga setiap kisi itu merupakan orbital penuh

Oleh karena itu yang penting dari band atau pita adalah

• Band atau pita yang akan terisi penuh pada 0 K pita valensi

• Band atau pita selanjutnya di atas pita konduksi energi

DIAGRAM PITA ENERGI

Atom-atom zat pada umumnya mempunyai jarak berdekatan satu sama lain sehingga atom-atom tidak dapat dipandang terisolasi.

Karena jarak antar atom dalam zat padat berdekatan satu sama lain maka antara atom yang satu dengan yang lain terjadi interaksi.

Tingkat energi dari elektron-elektron pada kulit dalam tidak berubah, tetapi tingkat tenaga elektron pada kulit terluar berubah. Tingkat energi elektron pada kulit terluar tersebut berubah menjadi pita

Jika seperti dalam skema Gambar diatas, sebuah pita valensi benar-benar terisi penuh dengan elektron, dan pita konduksi yang tepat di atasnya kosong, maka material tersebut memiliki celah pita energi.

Celah pita energi ini adalah perbedaan energi antara pita valensi dan pita konduksi.

Dengan konsep pita energi ini maka dapat diterangkan mengapa suatu zat mempunyai perbedaan daya hantar listrik.

Skema Pita Energi Isolator, Semikonduktor, dan Konduktor

• Pada isolator lebar pita terlarang ini besar ≈ 6ev sehingga sulit untuk terjadi elektron pada pita valensi pindah ke pita konduksi. Karena tidak ada elektron pada pita konduksi, maka tidak ada elektron bebas sehingga tidak bisa menghantarkan listrik.

• Pada semi konduktor lebar pita terlarang kecil ≈ 1 ev, sehingga pada suhu rendah (0oK) tidak ada elektron pada pita konduksi, tetapi pada suhu kamar ada elektron yang bisa meloncat dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas.

• Pada konduktor pita valensi dan pita konduksi bertumpang tindih, sehingga tidak terdapat pita terlarang. Dengan demikian elektron valensi mudah bergerak dalam pita konduksi, sehingga mudah menghantarkan arus listrik.

DISTRIBUSI FERMI DIRAC

Elektron adalah contoh dari jenis partikel yang disebut fermion. Selain muatan dan massanya, elektron memiliki sifat dasar lain yang disebut spin

Sebuah partikel dengan spin berperilaku seolah-olah memiliki beberapa momentum sudut intrinsik. Hal ini menyebabkan setiap elektron memiliki dipol magnet kecil.

Elektron memiliki spin ½, yang biasanya disebut sebagai 'spin up' atau 'spin down'. Semua fermion memiliki spin setengah.

Konsekuensi dari spin setengah dari fermion adalah suatu keadaan sistem yang dapat mengandung lebih dari satu fermion

Konsekuensi ini adalah melanggar prinsip eksklusi Pauli, yang menyatakan bahwa tidak ada dua fermion dapat menempati keadaan yang sama persis dari bilangan kuantum.

Karena alasan ini bahwa hanya dua elektron dapat menempati setiap tingkat energi elektron - satu elektron dapat memiliki spin up dan yang lain dapat memiliki spin down, sehingga mereka memiliki bilangan kuantum spin yang berbeda, meskipun elektron memiliki energi yang sama.

Pada nol mutlak nilai potensial kimia, μ, didefinisikan sebagai energi Fermi.

Pada suhu kamar potensial kimia untuk logam hampir sama dengan energi Fermi - biasanya perbedaannya hanya dari urutan 0,01%.

Tidak mengherankan, potensial kimia untuk logam pada suhu kamar sering diambil menjadi energi Fermi. Untuk semikonduktor undoped murni pada suhu yang terbatas, potensial kimia selalu terletak setengah jalan antara pita valensi dan pita konduksi.

PEMBAWA MUATAN DALAM SEMIKONDUKTOR

Ketika medan listrik diterapkan pada logam, elektron yang bermuatan negatif mengalami percepatan dan menghasilkan arus.

Dalam semikonduktor muatan tidak hanya dilakukan secara khusus oleh elektron.

Hole (lubang) yang bermuatan positif juga sebagai pembawa muatan

Karena distribusi Fermi-Dirac adalah fungsi pada nol mutlak, semikonduktor murni akan memiliki semua keadaan bagian pada pita valensi yang terisi dengan elektron dan akan menjai isolator pada nol mutlak.

Diagram E-k

PEJELASAN DIAGRAM E-K

Jika band gap cukup kecil dan suhu meningkat dari nol mutlak, beberapa electron secara termal tereksitasi ke pita konduksi, dan menciptakan pasangan elektron-lubang. Hal ini sebagai akibat dari distribusi Fermi-Dirac pada suhu yang terbatas.

Sebuah elektron juga dapat pindah ke pita konduksi dari pita valensi jika menyerap foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara keadaan penuh dan keadaan kosong.

Setiap foton tersebut harus memiliki energi yang lebih besar dari atau sama dengan band gap antara pita valensi dan pita konduksi.

Proses berlawanan dengan penciptaan pasangan elektron-hole disebut rekombinasi. Hal ini terjadi ketika sebuah elektron turun ke bawah energi dari pita konduksi ke pita valensi. Sama seperti penciptaan pasangan elektron-hole dapat disebabkan oleh foton, rekombinasi dapat menghasilkan foton. Ini adalah prinsip di belakang semikonduktor perangkat optik seperti dioda pemancar cahaya (LED).

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK DAN EKSTRINSIK

Semikonduktor yang paling murni pada suhu kamar, pembawa muatan yang tereksitasi sangat kecil. Seringkali konsentrasi pembawa muatan besarnya lebih rendah daripada konduktor logam.

Sebagai contoh, jumlah elektron yang tereksitasi dalam silikon (Si) di 298 K adalah 1,5 × 1010 cm-3. Dalam gallium arsenide (GaAs) hanya 1,1 × 106 cm-3 elektron. Hal ini dapat dibandingkan dengan densitas elektron bebas dalam logam yang khas, yaitu dari urutan 1028 cm-3 elektron.

Tidak mengherankan bahwa, ketika semikonduktor sangat murni, silikon dan bahan semikonduktor lainnya memiliki resistivitas listrik yang tinggi, dan karena itu konduktivitas listriknya rendah.

Masalah ini dapat diatasi dengan doping bahan semikonduktor dengan atom pengotor. Penambahan yang sangat kecil dari atom pengotor pada tingkat 0,0001% dapat membuat perbedaan yang sangat besar untuk konduktivitas semikonduktor.

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

Contoh khusus Silikon adalah kelompok unsur golongan IV, dan memiliki 4 elektron valensi per atom.

Dalam silikon murni pita valensi terisi penuh pada nol mutlak. Pada suhu terbatas hanya pembawa muatan elektron pada pita konduksi dan hole di pita valensi yang timbul sebagai akibat dari eksitasi termal elektron ke pita konduksi.

Pembawa muatan ini disebut pembawa muatan intrinsik, dan tentu ada jumlah yang sama antara elektron dan hole

Silikon murni adalah contoh dari semikonduktor intrinsik.

Jadi, Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping),

Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik.

Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan.

Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawa muatan elektron).

SEMIKONDUKTOR TIPE N

Jika jumlah yang sangat kecil dari atom unsur golongan V seperti fosfor (P) ditambahkan ke silikon sebagai atom substitusi dalam kisi, penambahan elektron valensi dimasukkan ke dalam materi karena setiap atom fosfor memiliki 5 elektron valensi.

Elektron tambahan terikat lemah dengan atom induk pengotor mereka (energi ikat berada pada orde ratusan eV), dan bahkan pada suhu yang sangat rendah elektron tersebut dapat dieksitasi ke pita konduksi dari semikonduktor.

Kehadiran garis putus-putus dalam skema disamping tidak berarti bahwa kini diperbolehkan keadaan energi di dalam band gap.

Garis putus-putus mewakili keberadaan elektron tambahan yang dapat dengan mudah tereksitasi ke pita konduksi.

Semikonduktor yang telah didoping dengan cara ini akan memiliki kelebihan electron.

Dalam semikonduktor seperti ini elektron sebagai pembawa mayoritas.

Diagram pita energi semikonduktor tipe-n

Golongan V merupakan donor dopan bagi kisi Si.

Dengan adanya kelebihan elektron, maka akan memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah ber-eksitasi ke pita valensi. Jadi pada N-type semi konduktor akan terjadi level energi baru yang disebut energy level donor (Ed), dimana pada level ini berisi penuh dengan elektron.

Di dalam tubuh N-type semi konduktor dapat diperoleh dua pembawa muatan yaitu :1. Elektron sebagai majority

carrier2. Hole sebagai minority

carrier

SEMIKONDUKTOR TIPE P Jika unsur golongan III, seperti aluminium (Al), digunakan untuk

menggantikan beberapa atom silikon, akan ada kekurangan pada jumlah elektron valensi dalam materi.

Ini menunjukan tingkat penerima elektron tepat di bagian atas pita valensi, dan menyebabkan lebih banyak hole yang dimasukkan ke dalam pita valensi.

Oleh karena itu, pembawa muatan mayoritas adalah hole yang bermuatan positif dalam.

Diagram pita energi semikonduktor

tipe-p

GOLONGAN III Golongan III merupakan akseptor dopan bagi

kisi Si

Dengan adanya kekurangan elektron, maka akan memerlukan suatu energi baru dimana elektron yang terdapat pada pita valensi akan berpindah ke energy level band yang baru tersebut. Level yang kosong tersebut dinamakan energy level acceptor (Ea).

Di dalam tubuh P-type semi konduktor dapat diperoleh dua pembawa muatan yaitu :1.   Hole sebagai majority carrier2.   Elektron sebagai minority carrier

DIRECT DAN INDIRECT BAND GAP SEMICONDUCTOR

Band gap merupakan perbedaan energi minimum antara bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi

Namun, bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi umumnya tidak pada nilai yang sama dari momentum elektron.

DIRECT BAND GAP SEMICONDUCTOR

Skema direct band gap semiconductor

Bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi terjadi pada nilai yang sama dari momentum electron.

INDIRECT BAND GAP SEMICONDUCTOR

Energi maksimum dari pita valensi terjadi pada nilai yang berbeda dari momentum electron menuju ke energi minimum pita konduksi

Skema indirect band gap semiconductor

Perbedaan penting antara keduanya adalah pada perangkat optik.

Setiap energi foton E memiliki momentum, di mana c adalah kecepatan cahaya. Sebuah foton memiliki energi dengan orde 10-

19 J, dan, karena c = 3 × 108 ms-1, foton khas memiliki jumlah yang sangat kecil dari momentum

Sebuah energi foton Eg, di mana Eg adalah band gap energi, dapat menghasilkan pasangan elektron-hole pada direct band gap semiconductor, karena elektron tidak perlu diberikan sangat banyak momentum.

Untuk menghasilkan pasangan elektron-hole di sebuah direct band gap semiconductor. Sebuah elektron juga harus mengalami perubahan yang signifikan dalam momentum untuk energi foton

Hal ini dimungkinkan, tetapi membutuhkan sebuah elektron untuk berinteraksi tidak hanya dengan foton untuk mendapatkan energi, tetapi juga dengan getaran kisi disebut fonon baik baik untuk meningkatan atau menghilangkan momentum.

Proses indirect berlangsung pada tingkat yang lebih lambat, karena membutuhkan tiga entitas yang berpotongan yaitu, elektron, foton dan fonon.

PITA ENERGI

TERIMAKASIH

FISIKA DAN TEKNOLOGI SEMIKONDUKTOR