MAKALAH FISIKA BAHAN

SIFAT LISTRIK BAHAN - Semikonduktivitas

Diususun oleh:

Febrilia Ramadani (2412100032)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

i

MAKALAH FISIKA BAHAN

SIFAT LISTRIK BAHAN - Semikonduktivitas

Diususun oleh:

Febrilia Ramadani (2412100032)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

ii

KATA PENGANTAR

Pertama-tama kami panjatkan puja dan puji syukur kehadirat Allah SWT

karena dengan rahmatnya kami mampu menyelesaikan Makalah Fisika Bahan ini

demgan sebaik-baiknya. Tidak lupa sholawat serta salam tetap tercurahkan kepada

junjungan kita Nabi Besar Muhammad SAW.

Dalam Makalah Fisika Bahan ini kami membahas tentang salah satu Sifat

Listrik Bahan yaitu Semikonduktivitas. Kami berharap makalah yang kami buat ini

nantinya dapat bermanfaat bagi seluruh pembacanya, sehingga dapat menambah

pengetahuan dan wawasan para pembacanya.

Tidak lupa kami juga mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak

yang telah membantu kami dalam menyusun Makalah ini, khususnya kami

mengucapkan banyak terima kasih kepada Ibu Dosen pembimbing mata kuliah

Fisika Bahan.

Kami mengetahui masih banyak kesalahan dalam penyusunan makalah ini.

Oleh karena itu kritik dan saran sangat kami butuhkan sebagai bahan perbaikan

dalam penyusunan makalah yang akan datang.

Surabaya, 22 April 2014

Penulis

iii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ................................................................................................................. i

Kata Pengantar ................................................................................................................. ii

Daftar Isi .......................................................................................................................... iii

Daftar Gambar ................................................................................................................. iv

Daftar Tabel ..................................................................................................................... v

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ...................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................................. 1

1.3 Tujuan ................................................................................................................... 2

1.4 Sistematika Makalah ............................................................................................. 2

BAB II ISI

2.1 Semikonduktivitas ................................................................................................ 3

2.2 Semikonduktor Intrinsik ....................................................................................... 4

2.3 Semikonduktor Ekstrinsik ..................................................................................... 5

2.4 Dioda Sambunhgan p-n ........................................................................................ 7

2.5 n-p-n Bipolar Junction .......................................................................................... 9

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan ................................................................................................................ 12

Daftar Pustaka ....................................................................................................... 13

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Pita Energi Semikonduktor Intrinsik ................................. 4

Gambar 2.2 Reaksi Semikonduktor Ekstrinsik Tipe N ....................................... 6

Gambar 2.3 Reaksi Semikonduktor Ekstrinsik Tipe P ........................................ 6

Gambar 2.4 Konsentrasi Pembawa Muatan Sebagai Fungsi Suhu ...................... 7

Gambar 2.5 Struktur Pita Energi Daerah Sambungan p-n................................... 8

Gambar 2.6 Pemberian bias tegangan dan pita energi untuk tegangan maju (a) dan

tegangan mundur (b) ........................................................................ 8

Gambar 2.7 Karakteristik I-V pada Sambungan P-N .......................................... 9

Gambar 2.8 Diagram BJT, jenis n-p-n (a) jenis p-n-p (b) ................................... 9

Gambar 2.9 Struktur alloy (a), Struktur planar (b), Simbol rangkaian (c) .......... 10

Gambar 2.10 Skema pergerakan pembawa muatan pada pengoperasian transistor

n-p-n ................................................................................................. 11

v

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Bahan semikonduktor dan celah energinya .......................................... 3

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pertimbangan sifat listrik bahan seringkali penting ketika pemilihan dan proses

selama mendesain komponen atau struktur material. Sifat kelistrikan bahan

digolongkan menjadi 3 golongan yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor.

Konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Isolator adalah

bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Sedangakan semikonduktor

adalah bahan yang bisa berfungsi sebagai isolator tetapi bisa juga menjadi

konduktor.

Semikonduktor merupakan alat yang banyak kegunaannya dalam bidang

elektronika, terutama dalam pembuatan chip. Alat-alat yang terbuat dan

semikonduktor diantaranya seperti diode, transistor, dan masih banyak lagi.

Semikonduktor dapat terbuat dari Silikon dan Germanium tetapi masih banyak

bahan-bahan semikonduktor lainnya. Semikonduktor intrinsik hanya terbuat dari

Silikon atau Germanium murni. Sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik unsur-

unsur tadi diberi pengotoran dengan tujuan agar konduktivitasnya bertambah.

1.2 Rumusan Masalah

Untuk membatasi lingkup pembahasan, maka masalah di dalam makalah ini

difokuskan pada aspek-aspek berikut :

1. Apa itu semikonduktor intrinsik?

2. Apa itu semikonduktor ekstrinsik?

3. Bagaimana Divais sederhana (pn junction & npn bipolar junction)?

1.3 Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini diantaranya adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui definisi semikonduktor intrinsik

2. Mengetahui definisi semikonduktor intrinsik

3. Mengetahui divais sederhana (pn junction & npn bipolar junction)

1.4 Sistematika Makalah

Pada makalah kali ini kami menggunakan beberapa bab. Di setiap bab kami

juga menggunakan sub bab.

Berikut ini sistematika penulisan makalah oleh kelompok kami :

1.4.1 Bab I Pendahuluan :

a. Latar Belakang : Berisikan tentang hal-hal yang melatar belakangi

pembuatan makalah ini.

b. Rumusan Masalah : Rumusan masalah ini berisikan tentang masalah-

masalah apa saja yang dihadapi pada makalah ini.

2

c. Tujuan : Tujuan ini berisikan tentang tujuan yang ingin kita dapatkan

melalui makalah ini.

d. Sistematik Laporan : Dalam sub bab ini dijelaskan mengenai apa saja yang

ada di dalam makalah.

1.4.2 Bab II Isi :

Pada bab ini berisikan tentang apa saja yang dibahas dalam makalah ini.

1.4.3 Bab III Penutup :

a. Kesimpulan : Dalam sub bab ini diterangkan mengenai kesimpulan yang

didapat pada makalah yang kami buat ini.

3

BAB II

ISI

2.1 Semikonduktivitas

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada

di antara isolator dan konduktor. Bahan-bahan yang mempunyai sifat

semikonduktif umumnya memiliki konduktivitas listrik antara 10-6 104 -1 m-1,

dan celah energinya lebih kecil dari 6 eV. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai

isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan

bersifat sebagai konduktor.

Bahan Semikonduktor dapat berupa bahan murni atau bahan paduan. Beberapa

jenis bahan semikonduktor dan nilai celah energinya diberikan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Bahan semikonduktor dan celah energinya

Bahan Celah Energi

(eV) Bahan

Celah Energi

(eV)

Golongan IV Golongan III-V

Si 1,11 Ga As 1,40

Ge 0,67 Ga P 2,24

Sn 0,08 Ga Sb 0,77

In As 0,33

In P 1,29

In Sb 1,16

Golongan II-IV Golongan IV-VI

CdS 2,40 Pb S 0,40

Zn Te 2,26

Zn S -

Cd Te -

Cd Se -

Selain bahan semikonduktor komersial yang ditunjukkan pada tabel diatas,

masih terdapat bahan semikonduktor lain yang oleh karena masalah teknis

sintesisnya dan juga masih dalam taraf penelitian dan pengembangan, bahan

tersebut belum dipakai secara luas. Bahan-bahan yang bersangkutan adalah bahan

semikonduktor oksida dan bahan polimer. Contoh bahan oksida antara lain : CuO,

ZnO, Ag2O, PbO, Fe2O3, SnO dan seterusnya, sedangkan contoh bahan polimer

misalnya : poliasetilen, polipirol, politiofen, polianilin dan polimer konduktif

sejenisnya.

Ditinjau dari jenis pembawa muatan yang menghantarkan listrik di dalamnya,

bahan semikonduktor dapat dibedakan menjadi bahan semikonduktor intrinsik dan

ekstrinsik. Bahan semikonduktor intrinsik merupakan bahan semikonduktor yang

4

tidak mengandung atom-atom takmurnian (impuritas), sehingga hantaran listrik

yang terjadi pada bahan tersebut adalah elektron dan lubang (hole). Sedangkan pada

bahan semikonduktor ekstrinsik, karena mengandung atom-atom pengotor,

pembawa muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja.

2.2 Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor yang tidak ataupun

belum terkotori oleh atom-atom asing. Pada suhu 0 K, semua elektron menempati

orbital-orbital ikatan dalam keadaan terikat. Susunan ini memberikan keadaan

struktur pita energi sebagai berikut : Pita Valensi terisi penuh elektron dan Pita

Konduksi kosong, sehingga pada bahan semikonduktor tidak terjadi aliran arus

listrik meskipun dikenakan medan listrik padanya sehingga bersifat sebagai

isolator.

Pada suhu yang lebih tinggi misal pada suhu ruang (300

K), sebagian elektron

di pita valensi memiliki energi yang cukup untuk bertransisi ke pita konduksi

sehingga elektron di pita valensi dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi

menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Baik

elektron pada pita konduksi maupun lubang pada pita valensi dapat bergerak bila

pada semikonduktor tersebut diberikan medan listrik.

Gambar 2.1 Struktur Pita Energi Semikonduktor Intrinsik

Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0K bersifat sebagai isolator, dan

pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor karena adanya pembentukan

pasangan-pasangan eletron bebas hole yang keduanya berlaku sebagai

pembawa ikatan. Jika konsentrasi (jumlah per volume) elektron bebas dalam

semikonduktot instrinsik dinyatakan dengan ni dan konsentrasi hole dengan p

maka berlaku,

ni = p

Ketergantungan konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor

instrinsik terhadap suhu dapat ditentukan berdasarkan statistik Fermi Dirac,

dan menghasilkan formulasi sebagai berikut :

2 = 3 /

5

dengan,

Ao = tetapan tak bergantung suhu

T = suhu (K)

EGO = energi gap pada 0K (eV)

K = konstante Bolzman (eV/K)

= 2,7

Daya hantar jenis dan tahanan jenis semikonduktor intrinsik di berikan

oleh persamaan-persamaan,

= ( + )

= 1

( + )

dengan,

= daya hantar/konduktivitas listrik

= tahanan jenis

= mobilitas elektron bebas

= mobilitas hole

= konsentrasi elektron

= 1,6x10-19

2.3 Semikonduktor Ekstrinsik

Berbeda dengan semikonduktor intrinsik, pada semikonduktor ekstrinsik jenis

pembawa muatan hanya salah satu saja yang dominan, elektron atau lubang.

Semikonduktor ekstrinsik dengan pembawa muatan mayoritas elektron disebut

semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya disebut semikonduktor tipe-p.

a. Semikonduktor tipe-n

Pada semikonduktor tipe ini, bahwa intrinsik seperti silikon memerlukan

ketidakmurnian atom yang mempunyai elektron vatensi lebih dari empat. Ini

dimaksudkan ada elektron sisa dalam membentuk ikatan dan dengan demikian

elektron tersebut dapat berkonduksi (menjadi elektron bebas). Atom-atom pengatur

dalam hal ini sering dipakai posfor () atau arsen (As) yang bervalensi lima dalam

konsentrasi berorde ppm (= part per million / bagian dalam sejuta). Pada gambar

2.2 ditunjukkan bahwa energi Fermi bergeser mendekati pita konduksi oleh karena

kehadiran tingkat energi donor (ED). Sebelum atom-atom donor terionisasi, tingkat

energi donor terisi elektron yang merupakan elektron kelima dari setiap atom donor

(pemberi elektron).

Bila atom donor terionisasi (P+

atau As+

), elektron bertransisi dari tingkat donor

ke pita konduksi. Di pihak lain, transisi dari pita valensi tetap terjadi meskipun

dalam intensitas yang kecil.

6

Gambar 2.2 Reaksi Semikonduktor Ekstrinsik Tipe N

Meskipun jumlahnya lebih sedikit transisi ini menghasilkan lubang pada pita

valensi. Sementara itu, pada pita konduksi terdapat elektron yang jumlahnya jauh

lebih banyak. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa dalam semikonduktor tipe-

n, elektron sebagai pembawa muatan mayoritas sedangkan lubang merupakan

pembawa muatan minoritas. Dalam keadaan atom-atom donor telah terionisasi

seluruhnya, konsentrasi pembawa muatan :

dengan ND adalah konsentrasi atom donor, dan konduktivitas listriknya :

b. Semikonduktor tipe-p

Kebalikan dari semikonduktor tipe-n, pada semikonduktor tipe-p atom-atom

yang ditambahkan sebagai takmurnian adalah atom dengan valensi yang lebih kecil

dari empat. Pada gambar 2.3. ditunjukkan kristal silikon yang mengandung atom

takmurnian bervalensi tiga (boron, galium), dan struktur pita yang dihasilkannya.

Gambar 2.3 Reaksi Semikonduktor Ekstrinsik Tipe P

Energi Fermi bergeser mendekati ke pita valensi karena munculnya tingkat

energi akseptor (EA). Tingkat ini muncul oleh karena adanya kekurangan elektron

pada atom impuritas. Bila atom impuritas terionisasi, atom ini akan mendapatkan

elektron dari elektron-elektron terikat pada pita valensi. Oleh karena itu atom

impuritas disebut atom akseptor (penerima elektron). Elektron yang bertransisi

ketingkat akseptor meninggalkan lubang pada pita valensi. Seperti halnya pada

semikonduktor tipe-n, elektron juga mungkin bertransisi ke pita konduksi meskipun

7

dengan probabilitas yang lebih kecil. Dengan mekanisme ini dihasilkan elektron

bebas pada pita konduksi dalam jumlah yang jauh lebih kecil dari pada jumlah

lubang pada pita valensi. Jadi, dalam semikonduktor tipe-p, pembawa muatan

mayoritas adalah lubang dan pembawa muatan minoritas adalah elektron.

Bila atom-atom akseptor terionisasi, tingkat akseptor terisi elektron. Dan bila

ionisasi maksimum, artinya seluruh atom terionisasi maka konsentrasi lubang,

NA adalah konsentarsi atom akseptor, dan konduktivitas yang dihasilkannya :

Pada suhu yang bertambah terus, semikonduktor ekstrinsik baik tipe-n maupun

tipe-p akan berubah menjadi semikonduktor intrinsik. Hal ini dimungkinkan karena

bila suhu meningkat akan terjadi transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi

yang terus-menerus. Akibatnya, konsentrasi intrinsik (ni) akan melebihi konsentrasi

ekstrinsik.

Gambar 2.4 Konsentrasi Pembawa Muatan Sebagai Fungsi Suhu

2.4 Dioda Sambungan p-n

Sambungan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n dapat dibuat dengan

berbagai teknik. Pada dasarnya, keping silikon didifusi dengan atom-atom pengatur

dalam fasa gas dari kedua sisi masing-masing untuk setiap tipe semikonduktor.

Struktur pita energi bahan sambungan p-n adalah gabungan antara pita energi

bahan tipe-n dan bahan tipe-p. Penyambungan ini terjadi dengan prinsip bahwa

tingkat Fermi (EF) haruslah terletak setingkat. Sebagai akibat penerapan prinsip

tersebut, timbulah potensial sambungan () atau energi potensial sambungan ().

Pemberian bias tegangan pada ujung-ujung bahan sambungan akan meningkatkan

atau menurunkan energi potensial sambungan, bergantung arah tegangan bias yang

diberikan.

8

Gambar 2.5 Struktur Pita Energi Daerah Sambungan p-n

Tegangan maju akan menurunkan energi potensial sambungan, sehingga arus

listrik (pembawa muatan) dapat menyeberang sambungan. Sebaliknya, untuk

tengangan mundur, energi potensial sambungan bertambah. Akibatnya, pembawa

muatan tidak dapat menyeberang sambungan, arus listrik sulit mengalir.

Berdasarkan sifat inilah sambungan p-n berfungsi sebagai penyearah arus (dioda).

Tampak bahwa hambatan-dalam dioda ini tidak bernilai tetap, melainkan berubah

menurut tegangan yang diberikan.

Gambar 2.6 Pemberian bias tegangan dan pita energi untuk tegangan maju (a)

dan tegangan mundur (b)

Berikut akan ditinjau daerah sambungan. Dalam masing-masing bahan, tipe-p

dan tipe-n, distribusi muatan yang dikandungnya terdiri dari muatan positif bebas

dan ion negatif statik dalam tipe-p, dan muatan negatif bebas serta ion positif statik

dalam bahan tipe-n. Tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya, terjadi difusi

muatan bebas : elektron nenuju tipe-p dan lubang menuju tipe-n. Peristiwa difusi

tersebut disertai terjadinya rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan lubang

lalu lenyap. Dengan rekombinasi ini, di sekitar daerah sambungan tidak ada lagi

muatan-muatan bebas, dan yang tertinggal hanyalah ion-ion statik, yaitu ion-ion

dari atom-atom donor dan akseptor. Daerah sambungan dengan ciri yang demikian

disebut daerah/lapisan deplesi. Karena daerah deplesi mengandung muatan positif

statik pada salah satu sisi dan muatan negatif pada sisi yang lain, maka timbul

9

medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan ini dapat dipandang sebagai sebuah

keping sejajar.

Perhatikan kembali karakteristik arus-tegangan (I-V) dioda terutama dalam

keadaan tegangan mundur. Pada V

10

Terdapat dua jenis kontruksi dasar BJT, yaitu jenis n-p-n dan jenis p-n-p. Untuk

jenis n-p-n, BJT terbuat dari lapisan tipis semikonduktor tipe-p dengan tingkat

doping yang relatif rendah, yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor tipe-n.

Karena alasan sejarah pembuatannya, bagian di tengah disebut basis (base), salah

satu bagian tipe-n (biasanya mempunyai dimensi yang kecil) disebut emitor

(emitter) dan yang lainya sebagai kolektor (collector). Secara skematik kedua

jenis transistor diperlihatkan pada gambar 3.9. Tanda panah pada gambar 3.9

menunjukkan kaki emitor dan titik dari material tipe-p ke material tipe-n.

Perhatikan bahwa untuk jenis n-p-n, transistor terdiri dari dua sambungan p-n yang

berperilaku seperti diode. Setiap diode dapat diberi panjar maju atau berpanjar

mundur, sehingga transistor dapat memiliki empat modus pengoperasian.

Gambar 3.10 (a) menunjukkan struktur transistor alloy n-p-n. Kolektor terbuat

dari chip semikonduktor tipe-n dengan ketebalan kurang dari 1 mm2. Daerah basis

dibuat dengan proses difusi kemudian dibuat kontak logam untuk dihubungkan

dengan kaki basis. Daerah emitor dibuat dengan teknik alloy pada daerah basis.

Sebagai hasilnya berupa sebuah pasangan sambungan p-n yang dipisahkan oleh

daerah basis kira-kira setebal kertas. Untuk struktur planar (gambar 3.10 (b)), suatu

lapisan tipe-n dengan tingkat doping rendah ditumbuhkan di atas substrat n+ (tanda

+ menunjukkan tingkat doping sangat tinggi). Setelah melalui proses oksidasi pada

permukaan, sebuah jendela (window) dibuka dengan proses penggerusan (etching)

dan suatu pengotor (p) dimasukkan ke kristal dengan proses difusi untuk

membentuk sambungan (junction). Sekali lagi setelah melalui reoksidasi, sebuah

jendela kecil dibuka untuk proses difusi pembentukan daerah emitor (n).

Gambar 2.9 Struktur alloy (a), Struktur planar (b), Simbol rangkaian (c)

Secara konvensional simbol transistor n-p-n diperlihatkan pada gambar 3.10

(c) dilengkapi dengan tanda panah pada emitor yang menunjukkan aliran muatan

positif. Walaupun sebuah transistor n-p-n akan bekerja dengan kedua daerah n

dapat berfungsi sebagai emitor, namun karena kedua daerah mempunyai tingkat

doping dan geometri yang berbeda, maka daerah n yang dimaksud harus diberi

label.

11

Gambar 2.10 Skema pergerakan pembawa muatan pada pengoperasian

transistor n-p-n.

12

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Berdasarkan pembahasan yang telah diuraikan pada bab sebelumnya, maka

penulis dapat menyimpulkan beberapa poin yang antara lain sebagai berikut :

a. dengan mengetahui sifat listrik suatu bahan, kita dapat memilih bahan-bahan

mana saja yang sesuai (cocok) dengan divais yang akan kita buat, menyesuaikan

kondisi saat sangat konduktif dan sangat isolatif

b. bahan semikonduktor merupakan salah satu jenis bahan yang termasuk kedalam

jenis teknologi bahan terbaru karena sifatnya yang berada di antara konduktor

dan isolator,

c. sifat-sifat dan properti yang dimiliki oleh bahan semikonduktor sangat baik dan

bagus apabila digunakan untuk pembuatan komponen komponen elektronika,

seperti dioda dan transistor

13

DAFTAR PUSTAKA

William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering 7th edition,

Department of Metallurgical Engineering The University of Utah, New York

1940.

McGraw-Hill series in Materials Science and Engineering