SEMI KONDUKTOR

MAKALAH

UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Ilmu Bahan Listrik

yang dibina oleh Bapak Drs. Hari Putranto

oleh;

Robi Ramandhani

110534406820

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS TEKNIK

PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

OKTOBER 2012

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Mengingat bahwa semi konduktor sudah umum digunakan pada bahan komposisi

elektronika dan pengunaannya yang luas seperti pada IC, Transistor, Dioda, LED dan

sebagainya. Sehingga pada saat ini dibutuhkan tentang pengetahuan komposisi bahan

dan akibat dari komponen saat teraliri arus listrik dan tegangan. Para pembaca diharapkan

dapat mengerti tentang bahan penyusun semi konduktor sehingga tidak asing lagi tentang

percampuran bahan atau doping.

B. TUJUAN

Setelah membaca makalah ini pembaca diharapkan dapat mengerti tentang

pengelompokan bahan, pengertian semi konduktor dan penggunannya, bahan jenis

pengkomposisi semi konduktor (bahan jenis P dan bahan jenis N). Mengetahui penerapan

semi konduktor pada komponen semi konduktor yang berguna dan telah banyak dipakai

rangkaian elektronika dan elektro dalam industri maupun rumah tangga.

DAFTAR ISI

Pendahuluan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Daftar Isi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Pembahasan

A. Orbit-orbit Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

B. Tinjauan Umum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

C. Semi Konduktror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1) Pengertian Dasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2) Semi Konduktor Insintrik dan Eksintrik . . . . . . . . 11

3) Bahan-bahan Jenis-P dan Jenis-N . . . . . . . . . . . . . .16

4) Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda . . . . . . . . 27

Daftar Pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

PEMBAHASAN

A. ORBIT – ORBIT ELEKTRON

Sekitar tahun 600 SM, orang-orang Yunani menemukan bahwa amber yang digosok

mempunyai satu jenis muatan listrik dan gelas yang digosok mempunyai muatan listrik dari jenis

yang lain. Dalam 1750 Franklin menyebut jenis yang pertama muatan yang positif dan jenis yang

kedua muatan yang negatif. Dalam 189, Thomson menemukan elektro dan telah membuktikan,

bahwa muatan negatif. Penemuan ini diikuti dengan penemuan proton, (bermuatan positif) dan

neutron (tidak bermuatan). Dengan demikian sekarang kita mengetahui,bahwa bahan tersusun

dari atom-atom denagn inti dipusat dan elektron yang mengelilinginya. Oleh karena itu inti

mengandung proton dan neutron maka muatannya positif. Apabila sebuah atom bermuatan

netral, Banyaknya elektron yang mengelilingi inti sama dengan banyaknya proton dalam inti.

1. Atom Boron

Gaya–gaya dalam atom membatasi gerak–gerak elektron dalam satu daerah dalam

dimensi tiga yang disebut kulit–kulit. Gambar dibawah atom Boron yang dipersederhana ini akan

memberikan informasi yang sama dan lebih mudah untuk digambar. Perhatikan kelima proton

yang ada didalam inti, kedua elektron didalam lintasan yang kecil dan ketiga elektron yang

berada didalam lintasan yang besar.

Gb.I Dua Dimensi

Apabila digambar dalam dua dimensi sebuah kulit nampak sebagi sebuah lintasan yang

melingkar. Selanjutnya kulit yang pertama kita sebut sebagai orbit yang pertama dan kulit yang

kedua sebagai lintasan yang kedua sebagai lintasan yang kedua dan seterusnya.

2. Konduktor.

Perak (disingkat Ag) mempunyai konduktivitas yang paling tinggi diantara logam-logam.

Tembaga (Cu) mempunyai konduktivitas tertinggi nomor dua, selanjutnya emas (Au)

mempunyai konduktivitas nomor tertinggi ketiga. Yang menyebabkan konduktivitas yang tinggi

apabila kita memandang struktur atomnya atomnya yang diperlihatkan pada Gb.II. Inti atom

mengandung 29 proton. Apabila atom tembaga secara listrik netral, dua elektron yang berada

dalam dua orbt pertama, 8 ada dalam orbit yang kedua, 18 ada dalam orbit yang ketiga dan satu

yang ada dikeempat. Inti yang positif menarik elektron-elektron yang terdekat daengan gaya

yang paling besar. Gaya tarikan ini berkurang untuk orbit yang lebih besar. Memang satu

elektron yang berada dalam satu orbit yang paling yang luar adalah demikian jauh dari inti,

sehingga tidak merasakan gaya tarikan tersebut. Oleh gaya tarikan tersebut demikian lemah,

maka elektron yang sering kali disebut elektron bebas. Dalam sepotong kawat tembaga, elektron

bebas dapat dengan mudah berpindah dari satu atom ke atom yang didekatnya. Oleh karena itu

maka sedikit saja tegangan diberikan melintas sepotong kawat tembaga sudah dapat

menghasilkan arus besar.

29P

Gb.II Atom tembaga

Inti dan elektron-elektron dalam tidak penting bagi kita. Perhatian kita dalam sebagian

dari buku ini pada lintasan yang palig luar, yang juga disebut lintasan valensi. Lintasan ini

menentukan bagaimana sebuah atom bergabung dalam atom lainnya, bagaimana konduktivitas

bahan ini dan sebagainya. Untuk menekan pentingnya lintasan valensi.

Konduktror-konduktor yang terbaik (perak, tembaga dan emas) mempunyai tembaga

inti seperti Gb.II. Gagasan pokoknya adalah satu elektron dalam lintasan yang besar yang

mengelilingi inti. Oleh karena itu gaya tarikan inti lemah, elektron valensi yang terasing (dari

elektron-elektron dalam) ini dapat dengan mudah berpindah bebas dari satu atom ke atom

berikutnya.

3. Semikonduktor

Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-contoh semikonduktor, yaitu bahan-

bahan yang tidak merupakan konduktor maupun isolator. Elektron-elektron yang mengelilingi

tersebar dalam berbagai lintasan mengikuti pola:

2, 8, 18. . . . . 2n2

Di mana n adalah nomor lintasan. Bilangan-bilangan tersebut merupakan jumlah elektron

paling banyak yang ada dapat berada dalam orbit ke- n. Dalam kata lain, dalam lintasan yang

pertama maksimal terdapat dua elekron, dalam yang kedua delapan elektron dalam ketiga 18

elektron dan seterusnya. Dalam Ge, empat elektron tang terakhir berada dalam lintasan yang

paling luar atau lintasan valensi

Apabila elektron valensinya delapan, bahan tersebut bersifat isolator. Oleh karena itu

banyaknya lintasan dalam elektron valensi merupakan petunjuk konduktivitas listrik. Konduktor-

konduktor mempunyai satu elektron valensi, semikonduktor mempunya empat elektron valensi

dan isolator mempunyai delapan elektron valensi.

B. TINJAUAN UMUM

Setiap orang berkecimpung dalam lapangan keteknikan, misalnya tukang, ahli teknik,

maupun pembuat desain, seharusnya mengetahui pengetahuan yang memadai mengenai bahan-

bahan yang berhubungan dengan pekerjaan mereka sehari- hari. Bagi mereka, memiliki

pengetahuan mengenai jenis- jenis bahan dan sifat dari bahan- bahan adalah sangat perlu.

Dengan pengetahuan tersebut mereka tahu bagaimana memerlukan bahan-bahan yang mereka

pakai dengan sebaik-baiknya atau memanfaatkan dan menghindari penggunaan yang berbahaya.

Mereka tahu apa yang harus dipakai untuk suatu maksud tertentu, dapat mencari alternatif bahan

pengganti dan sebagainya.

Bahan- bahan tersebut ada yang berbentuk padat, cair dan gas. Wujud bahan tertentu juga

bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokan berdasarkan wujud tersebut dalam

teknik listrik bahan- bahan juga dapat dikelompokan sebagai berikut:

1) Bahan Besi,

2) Bahan Penghantar,

3) Bahan Penyekat,

4) Bahan Setengah Penghantar,

5) Bahan Magnetis,

6) Bahan Superkonduktor,

7) Bahan Nuklir,

8) Bahan khusus ( Bahan untuk pembuatan kontak- kontak, untuk sekering dan sebagainya)

Bahan pengantar (conductor) adalah bahan yang menghantarkan listrik dengan mudah.

Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (electrical conductivity) yang besar dan tahanan listrik

yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi menghantarkan arus listrik. Perhatikan fungsi

kabel, kumparan atau lilitan pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi atau

distribusi. Dalam teknik listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan

aluminium.

Bahan Penyekat (insulating materials) adalah bahan yang berfungsi untuk menyekat

(misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik atau kebocoran arus apabila kedua

penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan

tegangan tenbus yang tinggi. Bahan penyekat yang sering dijumpai dalam teknik listrik adalah

gelas, keramik, mika, tekstil, perspan, plastic, karet, bakelit, ebonite dan sebagainya.

Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor material) adalah bahan yang mempunyai

daya hantar lebih kecil dibanding konduktor, tetapi lebih besar dibanding bahan isolator. Dalam

elektronika banyak dipakai semi konduktor dari bahan Germanium (Ge) dan Silikon (Si). Dalam

keadaan aslinya Ge dan Si adalah bahan pelikan dan merupakan isolator. Dipabrik bahan-bahan

tersebut diberi kotoran. Jika bahan tersebut dikotori oleh aluminium maka akan memperoleh

baahn semi konduktor type P (bahan yang kekurangan elektron dan bersifat positf). Jika dikotori

oleh phospor maka akan diperoleh jenis semi konduktor jenis N (bahan yang kelebihan elektron

dan bersifat negatif). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi dibandind Si, sedangkan Si lebih

tahan panas dibanding Ge.

Bahan Superkonduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur perubahan

tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair. Dia menemukan

tahanan listrik tiba- tiba hilang pada suhu 4, 1530 K. Sampai saat ini telah ditemukan sekitar 24

unsur hantaran super dan masih banyak lagi panduan dan senyawa yang menunjukan sifat –sifat

hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar antara 10

sampai 190 K. Bahan –bahan lead (timah),

tin (timah patri),aluminum dan mercry, pada suhu mendekati 00 K mempunyai sensitivitas nol.

Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering digunakan sebagai bahan bakar reactor nuklir.

Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan- bahan dalam keadaan dan kondisi

terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunaakn sebagai bahan bakar

nuklir yang dapat mengadakan fisi (pembelahan atom). Dalam bahan bakar nuklir digunakan

bahan bakar uranium 235, plutonium-239, uranium-233

C. SEMIKONDUKTOR

1) Pengertian Dasar

Sesuai dengan namanya, semi konduktor (setengah penghantar) mempunyai daya hantar

yang besarnya antara harga daya hantar konduktor dan daya hantar isolator. Sifat tersebut

dipengaruhi oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan. Pengetahuan mengenai hal

tersebut perlu bagi setiap orang yang memilih profesi dibidang elektronika yang penggunannya

tidak terbatas pada arus lemah saja. Adapun macam- macam dan penggunaan bahan semi

konduktor antara lain seperti tabel dibawah ini:

Tabel I. Macam- macam Semi konduktor dan penggunannya.

Nama Semi konduktor Penggunaannya

Barium Titinate (Ba Ti) Thermistor (PTC)

Bismut Telurida (Bi2 Te3) Konvermasi thermoelektrik

Caldium Sulfida (Cds) Sel foto konduktif

Gallium Arsenida (Ga As) Dioda, Transistor, Laser,LED

Germaniun (Ge) Dioda, Transistor

Indium Antimonida (In Sb) Magneto Resistor,Plezo Resitor

Indium Arsenida (In As ) Plezo Resistor

Silikon (Si) Dioda, Transistor, IC

Silikon Carbida (Si Cb ) Varistor

Germanium Silikon (Ge Si ) Pembangkitan Thermoelektrik

Selenium (Se) Rectifier

Aluminium Stibium(Al Sb) Dioda Penerangan

Gallium Phosphor (Ga P) Dioda Penerangan

Indium Phosphor (In P) Filter Infra Merah

Plumbun Suifur (Pb S) Foto Sel

Plumbun Selenium (Pb S ) Foto Sel

Indium Subium (In Sb ) Detektor Infra Merah, Filter Infra Merah

Suatu hal yang penting untuk memahamisemikonduktor adalah proses konduksi

elektronik. Konduksi elektronik bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi

bahan. Pada konduktor, kedua pita tersebut saling menumpuk. Pada isolator jarak keduanya

cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan tidak terlalu

dekat danini memungkinkan tumpang tindih jika dipengaruhi, misalnya panas, medan magnet

dan tegangan yang cukup tinggi. Jarak kedua pita tersebut adalah celah energi, seperti gambar

dibawah ini:

0,2 S/D 5,3 eV

Pita Konduksi

Pita Valensi

6 eV

Semi Konduktor Konduktor Isolator

Pita Konduksi

Pita Valensi

Gb.III Celah energi pada bahan-bahan

Dari Gb.III terlihat bahwa celah energi pada isolator intan adalah 6 eV dan intan

merupakan bahan isolator dengan resistivitas yang tinggi. Jarak antara pita valensi dan pita

konduksi juah sehingga walaupun elektron-elektron bebas pada pita konduksi sudah tereksistansi

(terlepas dari orbitnya), elektron-elektron valensi tidak akan meloncat ke pita konduksi. Bahan

konduktor celah energinya sempit sehingga kalau ada kalau ada elektron lepas dari orbitnya

maka pada pita valensi akan segera mengisinya. Sedangkan bahan semi konduktor mempunyai

celah energi yang lebih sempit dari pada isolator yaitu 0, 12 hingga 5, 3 eV. Misalnya, Si sebagai

salah satu bahan semi konduktor mempunyai celah energy 1,1 eV. Oleh karena itu untuk

menjadikan bahan semikonduktor agar dapat menghantarkan listrik dipelukan energi yang tidak

terlalu besar.

2) Semi Konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik.

Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor dari germanium (Ge) dan

Silikon (Si). Germanium maupun Silikon murni adalah bahan pelican dan merupakan isolator.

Pada semi konduktor intrinsik, timbulnya konduksi pada bahan-bahan tersebut disebabkan oleh

proses intrinsik (misal karena energi termal) dari bahan dan tanpa adanya pengaruh bahan

tambahan.

Cara lain untuk mengubah Ge dan Si terbuat dari bahan semi konduktor adalah dengan

mengotori bahan- bahan tersebut, misalnya dengan bahan Arsenikum (As) atau Boron (B). Bahan

pengotor dari luar dari luar tersebut disuntikan pada bahan Ge dan Si. Proses penyuntikan bahan

–bahan tersebut disebut dengan proses doping. Penambahan bahan tersebut pada semi konduktor

murni dimaksudkan untuk meningkatkan konduktivitasnya.

Dari hasil pengotoran atau doping itu diperoleh bahan semi konduktor jenis P dan jenis

N. Bahan semi konduktor yang mendapat tambahan As akan menjadi semi konduktor jenis N dan

yang mendapatkan tambahan jenis B akan menjadi semi konduktor jenis P.

Tabel II. Energi Ionisasi

Bahan Pengotor Si ( eV) Ge ( eV)

Jenis- N Phospor 0, 044 0, 012

Arsen 0, 049 0, 013

Antinom 0, 039 0, 010

Jenis- P Boron 0, 045 0, 010

Aluminium 0, 057 0,010

Gallium 0, 065 0, 011

Indium 0 ,16 0, 011

a. Semi Konduktor Intrinsik.

Sebagai contoh; Si mempunyai celah energi 1eV ini adalah perkiraan beda energi antara 2 inti

ion yang terdekat dengan jarak ± 10A (10

-10 m). Maka dari itu, diperlukan medan ± 1 V /10

-10 m

untuk memggeraknan elektron diatas bagian pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun

gradien sebesar itu kurang praktis.

Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua pita dapat diperoleh

dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga beberapa elektron yang melintasai celah energi

dan hal ini menyebabkan terjadinya semi konduksi.

Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari

bahan adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor

instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas bagian pita valensi ke bagian

pita thermal adalhan penyebab konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak celah

energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut:

P (E) = 1 / (1 + e) (E –EF)/ KT

. . . . . . . . . . (11- 1)

Dimana :

Ef adalah tingkat Fermi

K adalah konstanta Boltzman sebesar 8, 64 .10-5

E- EF adalah sama dengan Eg/ 2

Eg adalah besaran energi thermal KT pada suhu kamar (0, 026 e V)

Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 11- 1 diatas dapat ditulis:

P (E) = e (-Eg/ 2KT)

. . . . . . . . . . (11- 2)

Pada suhu 00 C semua pita elektron berada di pita valensi. Pada daerah ini kemungkinan adanya

elektron adanya didaerah 0 > E > EF adalah 100 % atau P(є) = 1; semua keadaan terdapat

elektron. Untuk E > EF, P (E) = 0 kemungkinan elektron di daerah E > EF adlah 0 %, semua

keadaan diatas EF adalah kosong kalau energy elektron E sama besarnya dengan kemungkinan P

(E). Karena perpindahan elektron- elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi

lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut.Suatu semi konduktor intrinsik

mempunyai pita lubang yang sama dengan pita valensi dsan elektron pada pita konduksi. Pada

pemakaian, elektron yang lari ke pita valensi, misalnya karena panas dapt dipercepat

menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang Sama

lubang- lubang pada pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron.

Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut

yaitu ne dan NH.

b. Semi konduktor Ektrinsik

Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan

penambahan atau pengotoran dari luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan

doping. Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan meningkatkan

konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan

berkala seperti P, As atau Sb.

Pada Gb. IV ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P. Pada gambar tersebut, 4 dari 5

elektron kelima dari atom P tidak mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan

berputar mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah perbedaan yang

penting.

Si

P

Si

Si

Si

SiSi

Si

Elektron Bebas

Si

Gb. IV Silikon yang didoping dengan phosphor

Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari Kristal silikon dan bukan pada

ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari

Kristal dari perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira –kira 80 A0

dibandingkan 0, 5 A0 dari orbit hydrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas

dari tingkat energinya berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita

eksistansi

Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semi konduktor.

Tingkat energy dari elektron ke- 5 dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan

dari elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semi konduktor

tipe n.

3) Bahan- bahan Jenis- P dan Jenis- N

Kristal Ge murni terdiri dar 5 atom di mana tiap atomnya mempunyai 4 elektron bebas.

elektron

Gb. V. Germanium Murni

Kalau 1 atom Ge diganti dengan 1 atom lain yang mempunyai 3 elektron bebas maka

kristal germanium menjadi kekurangan 1 elektron (mempunyai hole) itu menjadi bahan jenis-P.

Atom yang dipasang tadi (yang menimbulkan hole) disebut atom akseptor (sanggup

menarik elektron). Sebagai atom akseptor adalah bahan atom boron, aluminium, gallium, indium.

Letak atom akseptor pada celah energi lebih dekat pada pita valensi.

elektron elektron

Gb. VI. Bahan Jenis-P Gb. VII. Bahan Jenis-N

hole

Kalau atom yang menggantikan 1 atom Germanium tadi atom yang mempunyai 5

elektron bebas maka kristal Germanium mempunyai kelebihan 1 elektron. Atom yang

menggantikan tadi disebut atom donor. Contoh atom donor adalah phosphor, arsen, dan

antinomy. Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Germainum

yang kelebihan 1 elektron tersebut disebut bahan jenis N.

Bahan P banyak mengandung hole sedangkan elektron bebasnya sedikit hole merupakan

mayoritas dan elektron merupakan minoritas. Bahan jenis ini berlaku pada akseptor (lebih

banyak menarik elektron). Bahan jenis N banyak mengandung elektron bebas sehingga elektron

bebas merupakan mayoritas dan hole sebagai minoritas. Oleh karena itu bahan jenis-N sanggup

member banyak elektron bebas dan berlaku sebagai donor.

Pada bahan semi kondukor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan

elektron bebas. Pada bahan jenis P pembawa muatan adalah hole, sedang pembawa muatan pada

bahan jenis N adalah elektron bebas.

a) Persambungan P – N

Pada suhu ruang, suatu semi konduktor tipe P mempunyai pembawa muatan dengan

sebagian terbesar berupa lubang-lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak-murnian,dan

sebagian kecil berupa elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energy terminal.Di pihak

lain,dalam semikonduktor tipe n,sebagian terbesar dari pembawa muatan adalah elektron-

elektron bebas dan hanya mengandung lubang-lubang yang berjumlah kecil.Jika dipakai secara

terpisah,baik semikonduktor tipe n maupun semikonduktor tipe p,masing-masing tidak lebih

berguna dari sebuah penghambat (resistor) karbon.Tetapi,dengan memasukkan tak-murnian ke

dalam suatu kristal sedemikian rupa hingga stengahnya bertipe n dan sisanya bertipe p,maka

hasilnya berupa suatu penghantar satu arah.Pembahasan berikut ini akan menjelaskan mengapa

demekian halnya.

Kita tinjau suatu atom yang netral.Atom ini mempunyai elektron dan proton yang sama

jumlahnya.Misalkan bahwa ialah satu elektronnya disingkirkan.Sebagai akibatnya,atom tersebut

mempunyai satu muatan positif dan disebut ion positif.Sebaliknya,jika suatu atom netral diberi

satu elektron tambahan,atom akan bermuatan negative dan dikenal sebagai ion negatif.

p n

Gb.VIII. Pembawa-pembawa mayoritas dan ion-ion.(a) lubang-lubang dan ion-ion

negative.(b) Elektron-elektron bebas dan ion-ion positif.

Gb.VIII menunjukkan suatu semikonduktor tipe p.Masing-masing tanda plus merupakan

lambang dari suatu lubang,sedangkan masing-masing tanda minus yang dilingkari itu merupakan

representasi suatu atom akseptor yang mengandung lubang-lubang tersebut.Secara bersama

lubang dan atom akseptor merupakan satuan yang netral.Namun bila suatu lubang menghilang

karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron,maka atom akseptor bersangkutan akan

mengandung muatan negative yang berlebihan dan menjadi ion negative.Dalam keadaan yang

ditunjukkan oleh Gambar 2.1a,bahan tipe p tersebut bersifat netral karena jumlah tanda plus

sama dengan jumlah tanda minus.

Begitu pula dalam Gb.VIII telah ditunjukkan semikonduktor tipe n.Disini tanda minus

melambangkan elektron bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan elektron

bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan atom donor yang mengandung

elektron bebas dalam orbitnya.Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor bersangkutan

merupakan satuan yang netral.Jika salah satu elektron tersebut meninggalkan orbitnya dari

sekeliling atom donor dan pindah kepada orbit atom lain,maka atom donor itu menjadi ion

positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini tidak dapat bergerak leluasa

karena terikat dalam struktur kristalnya.Dalam Gb XII, bahan tipe n itu bersifat netral karena

mengandung tanda minus dan tanda plus yang berjumlah sama

Pokok-pokok untuk diingat:

i. Pada saat persambungan pn terbentuk, elektron-elektron bebas mulai berdifusi

menyeberangi persambungan dan kemudian ”terjatuh” ke dalam lubang-lubang.

ii. Rekombinasi elektron-elektron bebas dengan lubang-lubang disekitar persambungan

menimbulkan daerah ion-ion negative dan positif yang disebut lapisan pengosongan.

iii. Karena terjadi potensial barier,difusi elektron-elektron bebas akan berhenti akhirnya.

iv. Pada suhu ruang, diode silicon mempunyai potensial barier kurang lebih sebesar 0, 7 V

(sekitar 0, 3 V untuk diode Ge).

b.) Prategangan Maju

Suatu kristal pn dapat bekerja sebagai diode karena arus didalamya hanya dapat mengalir

dalam satu arah dan tidak sebaliknya.Untuk memahami mengapa demikian halnya, kita tinjau

Gambar 2-3a.Perhatikan bahwa terminal negative dari baterai dihubungkan dengan sisi n dari

kristal.Karena itu elektron-elektron bebas pada sisi n dari kristal.Karena itu elektron-elektron

bebas pada sisi n ditolak ke a rah persambungan.Hubungan semacam ini disebut rangkaian

prategangan maju (forward bias).

Arus Maju yang Besar

Prategangan maju menyebabkan elektron-elektron bebas di sebelah n bergerak menuju ke

persambungan.Kejadian ini akan meninggalkan ion-ion positif di sebelah kanan kristal.Ion-ion

positif ini kemudian akan menarik elektron-elektron bebas dari baterai,yang selanjutnya mengalir

dari terminal negative baterai kesebelah kanan kristal melalui kawat rangkaian.Karena terminal

positif dari baterai dihubungkan dengan sisi p, lubang-lubang dari daerah p ditolak kea rah

persambungan.Bilamana lubang-lubang ini bergerak kekanan,di ujung kiri kristal akan tertinggal

ion-ion negative. Elektron-elektron valensi selanjutnya akan mengalir dari ion-ion negative ini ke

dalam kawat yang dihubungkan dengan terminal positif dari baterai.Sewaktu elektron-elektron

valensi ini meninggalkan tempatnya, lubang-lubang baru akan terbentuk pada ujung kiri kristal.

Kristal,elektron-elektron bebas dan lubang-lubang senantiasa bergerak menuju ke

persambungan.Bersamaan dengan gerak itu,elektron-elektron bebas yang baru akan memasuki

ujung kanan kristal dan lubang-lubang baru akan diciptakan pada ujung kirinya.Dengan

demikian,sebelah n kristal selalu penuh dengan elektron-elektron bebas sedangkan sebelah p

penuh dengan lubang-lubang.Elektron-elektron bebas yang menyeberangi persambungan dan

bergabung kembali dengan lubang-lubang yang tiba dipersambungan. Sebagai hasilnya, arus

yang kontinu akan berlangsung didalam kristal tersebut. Jika baterai dan dioda bersangkutan

dihubungkan secara seri dengan suatu ammeter (pengukur arus), maka alat ini akan menunjukan

adanya aliran arus dalam rangkaian.

Tingkatan-tingkatan Energi

Pengertian tentang gejala yang dibahas sebelumnya dapat diperbaiki secara lanjut jika

gejala tersebut dapat dijelaskan dengan cara-cara lain.Tungkat energi elektron-elektron bebas

pada diode akan dipertinggi dengan pemberian tegangan luar. Bila tegangan diberikan itu

mencapai harga sekitar 0,7 V maka elektron pada sisi n dari persambungan akan memperoleh

energi cukup besar untuk memasuki sisi p. Setelah masuk dalam daerah p, elektron bebasmenjadi

pembawa minoritas yang mempunyai umur khas dalam pengukuran nanosekon. Karena itu,

elektron bebas tersebut dengan cepat akan bergabung dengan lubang disekitarnya (lintasan A).

Kemudian, elektron ini akan bergerak melalui lubang-lubang sebagai elektron valensi, sampai

tiba di ujung kiri kristal.

Ada kalanya suatu bebas bargabung dengan suatu lubang sebelum menyeberangi

persambungan. Hal ini dapat terjadi sebagai berikut. Lepas dari tempat terjadinya rekombinasi,

hasilnya adalah sama. Hasil tersebut berupa aliran tunak (steady) dari elektron-elektron bebas

menuju ke persambungan dan bergabung dengan lubang. Elektron-elektron yang terperangkap

itu (sekarang berubah menjadi elektron valensi) bergerak ke kiri dalam bentuk aliran tunak

melelui lubang-lubang dalam daerah p. Dengan demikian terjadilah arus kontinu melalui diode

yang bersangkutan.

c. Pra tegangan balik

Apa yang terjadi bila polaritas tegangan itu dibalik arahnya. Dalam hal ini, elektron-

elektron bebas dan lubang-lubang akan bergerak menjauhi persambungan. Pola hubungan itu

disebut rangkaian prategangan balik (reverse bias). Dengan pra tegangan balik, diode tidak lagi

bekerja sebagai suatu penghantar.

Arus Balik yang Kecil

Karena terminal positif dihubungkan dengan sisi n dan sisi p dihubungkan dengan

terminal negatifnya, maka elektron-elektron bebas dan lubang-lubang untuk sementara waktu

akan mengalir menjauhi persambungan. Hal ini akan memperlebar lapisan pengosongan sampai

potensialnya menyamai tegangan terpasang. Dalam keadaan ini pembawa-pembawa mayoritas

akan berhenti mengalir dan dalam beberapa nanosekon saja arus akan menurun samapi sekitar

harga nol.

Penyebabnya tegangan dalam kasus in berfungsi memperbesar pontensial barier dan

dengan demikian menghalang proses aliran dengan poses rekombinasi pembawa mayoritas pada

persambungan. Karena itu ammeter DC yang dihubungkan secara seri dengan baterai dan diode

akan menunjukan arus yang kurang lebih sama dengan nol.

Tingkatan-tingkatan Energi

Tegangan yang terpasang dari luar menurunkan pembawa tingkat-tingkat energi elektron

bebas di sebelah n dari persambungan. Hal ini sebab tingkat-tingkat energi elektron bebas di

sebelah n dari persambungan. Ini adalah sebab mengapa pita energi n menjadi turun jauh di

bawah pita energi p. Dalam keadaan in elektron-elektron bebas tidak dapat menyeberangi

persambungan karena orbit-orbitnya terlampau kecil untuk menyamai orbit-orbit yang lebuh

besar pada sisi p.

Pembawa- pembawa Minoritas

Pada suhu nol mutlak, hanya elektron-eletron bebas yang terdapat dalam bahan dan

hanya lubang yang terdapat dalam n dan hanya lubang yang terdapat dalam bahan tipe p. Karena

itu prategangan maju akan menghasilkan arus searah. Jadi, diode merupakan penghantar dalam

arah maju dan merupakan isolator dalam arah sebaliknya.

Diatas suhu mutlak, energi termal akan menghasilkan beberapa elektron bebas di sisi p dan

beberapa lubang sisi n. Jika dioda diberi tegangan balik, maka pembawa-pembawa minoritas

akan mengalir menuju ke persambungan dioda dan bergabung kembali ke situ. Setiap kali terjadi

rekombinasi dipersambungan antara sepasang elektron bebas dan lubang yang dihasilkan secara

thermal itu, maka seketika itu juga elektron bebas akan meninggalkan terminal negatif baterai

dan memasuki ujung kiri kristal. Bersamaan dengan itu, elektron valensi akan meninggalkan

ujung kanan kristal dan memasuki terminal positf baterai. Mengingat pembawa-pembawa

minoritas akan dihasilkan oleh energi termal secara terus menerus, aliran yang dijelaskan diatas

akan berlangsung secara kontinu pula. Jika suatu ammeter DC yang sangat peka dihubungkan

secara seri dengan dioda dan baterai, maka alat tersebut akan menunjukan adanya arus DC yang

sangat kecil dalam rangkaian luar itu.

Kebocoran Permukaan

Selain arus pembawa minortas yang baru dijelaskan itu, pada permukaan kristal dapat

terjadi arus balik yang kecil. Seba atom-atom pada permukaan kristal mempunyai ikatan kovalen

yang terputus, maka “kulit” kristal itu penuh dengan lubang–lubang dan meruapakn saluran yang

brhambatan tinggi bagi arus yang bersangkutan. Arus kebocoran permukaan ini tidak bergantung

pada suhu tetapi bergantung pada tegangan. Makin besar tegangan balik yang diberikan, makin

besar pula kebocoran permukaan itu.

Arus Balik

Arus balik total adalah jumlah dari arus pembawa minoritas dan arus kebocora

permukaan. Pada suhu ruang, arus balik yang terjadi sangat kecil dibandingkan dengan arus

maju. Sebagai contoh dioda 1N914 (dioda silicon yang sering terdapat dipasaran) mempunyai

arus balik sekitar 25 nA, pada pra tegangan balik sebesar 20 V. Kecuali untuk penerapan-

penerapan yang sangat menuntut kecermatan-kecermatan, arus balik dari suatu dioda silikon

biasanya diabaikan saja karena terlalu kecil pengaruhnya.

Perbandingan Silikon terhadap Germanium

Kita tinjau kembali gambaran tentang celah terlarang antara celah valensi dan pita

konduksi. Dari waktu ke waktu, suatu elektron valrnsi akan pindah le dalam pita konduksi

dengan bantuan energi themal. Peristiwa ini akan menciptakan suatu elektron bebas dari suatu

lubang yang akan memperbesar aus pembawa minoritas. Celah terlarang dari silikon lebih besar

daripada celah terlarang germanium. Dengan kata lain germaiun lebih peka dari pada silikon

terhadap kenaikan suhu. Ini adalah sebab mengapa dioda silikon mempunyai arus balik yang

lebih kecil dari pada dioda germanium dan ini pula sebabnya silikon dan bukan germanium yang

telah menjadi menjari standart industri.

4. Karakteristik Arus dan Tegangan Dioda Semikonduktor

Kalau anoda (bahan jenis p) dari diode dihubungkan dengan kutub positif baterai,

sedangkan katodanya (bahan n) dihubungkan dengan kutub negative baterai maka arus listrik

mengalir lewat dioda; arus dari kutub (+) baterai lewta anoda, lewat katoda dan kembali ke kutub

negatif baterai. Sebaliknya jika anoda dihubumgkan dengan kutub negatif baterai dan katoda

dihubungkan dengan kutub positif baterai maka tidak akan ada arus yang mengalir.

Sebuah dioda mempunyai karakteristik yang menyatakan hubungan antara arus dan

tegangannya. Karakteristiek perlu diketahui sehungga dioda dapat dipergunakan sesuai dengan

kebutuhannya. Ada 2 macam karakteristik dioda, yaitu karakteristik catu maju dan terbalik.

Berikut alat-alat atau komponen yang menggunakan bahan semi konduktor;

a. Dioda Zener (Zener Dioda)

Dioda zener adalah diode yang bekerja pada daerah zener (dapat melakukan arus yang

berubah pada suatu tegangan tertentu). Gunanya untuk membuat suatu tegangan pada

suatu rangkaian tetap stabil.

b. Dioda Cahaya (Light Emitting Dioda / LED)

Dioda cahaya adalah salah satu jenis dioda yang apabila diberi tegangan maju akan

menimbulkan cahaya pada sambungan pn-nya.

c. Dioda Foto

Dioda foto adalah suatu diode tergantung yang tahanan terbaliknya berubah-ubah

tergantung kuat cahaya yang ada padanya (dioda foto diberi terbalik).

d. Transistor (Junction Transistor)

Adalah beberapa jenis transistor, tapi yang dipakai sebagai dasar adalah transistor yang

terbuat dari lapisan-lapisan NPN dan PNP.

P N P NN P

Gb. IX Transistor Jenis PNP Gb. X Transistor Jenis NPN

Kenyataannya bahan-bahan transistor tidak dapt dilukiskan simetris, artinya pada

transistor PNP bahan P yang dan yang ada di kanan tidak dapat saling dipertukarkan.

Demikian juga bahan N pada transistor NPN; karena masing-masing ujung mempunyai

nama, arah arus dan sambungan sudah tertentu.

DAFTAR PUSTAKA

Darsono dan Suhadi. 1977. Ilmu Bahan Listrik I. Jakarta: Proyek Pengadaan Buku Pendidikan

Menegah Teknologi.

Muhaimin. 1991. Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik. Jakarta: Andi Offset.

Sumanto, Drs. 1996. Pengetahuan Bahan untuk Mesin dan Listrik. Jakarta: Andi Offset.

Barmawi Malvino, Tjia. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semi Konduktor (Pengantar Transistor

Rangkaian Terpadu). Jakarta: Erlangga.