Piranti Semikonduktor

1. Semikonduktor

Material zat padat dapat diklasifikasikan ke dalam tiga bagian utama yaitu isolator, semikonduktor dan konduktor. Isolator memiliki konduktivitas yang

rendah yang berkisar antara 10-18 sampai 10-8 S/cm sedang konduktor seperti

aluminium dan perak memiliki konduktivitas yang tinggi yang berkisar antara 105

sampai 107 S/cm. Bahan semikonduktor memiliki konduktivitas antara isolator

dan konduktor. Konduktivitas dari bahan semikonduktor secara umum peka

terhadap temperatur, iluminasi, medan magnet, dan jumlah partikel pengotor

(impuritas). Kepekaan bahan semikonduktor ini menyebabkan bahan ini banyak

digunakan dalam aplikasi fisika. Studi tentang semikonduktor dimulai pada abad

ke-19.

Setiap atom memiliki elektron. Elektron mengorbit di dalam atom dengan

tingkatan energi tertentu. Kulit-kulit yang ada pada atom menunjukkan tingkatan

energi elektron. Elektron pada atom tunggal menempati orbital atom. Orbital atom

elektron akan membelah ketika atom-atom mengumpul saling berdekatan.

Mengumpulnya atom-atom tersebut menyebabkan jumlah orbital atom menjadi

besar dan perbedaan energi di antara orbital atom tersebut mengecil sehingga akan

terbentuk pita energi.

Konsep pita energi sangat penting dalam mengelompokkan material

sebagai konduktor, semikonduktor dan isolator. Besarnya lebar celah energi dapat

menentukan apakah suatu material termasuk konduktor, semikonduktor atau

isolator. Celah energi memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Elektron

pada pita valensi dapat loncat menuju pita konduksi dengan cara menyerap

sejumlah energi yang melebihi celah energi. Celah energi masing-masing material

ditunjukkan pada Gambar 1 (Goetzberger 1998).

Semikonduktor adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik diantara

konduktor dan isolator. Resistivitas semikonduktor berkisar di antara 10-6 sampai

104 ohm-m. Pada semikonduktor, terdapat pita energi yang memperbolehkan

keberadaan elektron, yaitu pita valensi berenergi rendah yang terisi penuh oleh

elektron dan pita konduksi yang berenergi tinggi yang kosong.

6

Gambar 1 Pita energi bahan (a) isolator, (b) semikonduktor dan (c) konduktor

Celah energi yang memisahkan kedua pita tersebut yaitu pita terlarang atau

disebut juga sebagai bandgap (Eg). Salah satu karakteristik penting

semikonduktor adalah memiliki celah energi yang relatif kecil yaitu berkisar

antara 0,2-2,5 eV. Energi celah pita yang kecil ini memungkinkan suatu elektron

memasuki level energi yang lebih tinggi. Perpindahan elektron ini dapat terjadi

karena pengaruh suhu dan penyinaran (Gambar 2) (Wijaya 2007).

Gambar 2 Pada pita valensi, elektron menyerap foton (h) dan pindah ke pita konduksi meninggalkan hole

Ketika semikonduktor diradiasi dengan cahaya yang energinya lebih besar

dari energi gap semikonduktor (h Eg), elektron dari pita valensi dapat tereksitasi

ke pita konduksi. Elektron yang melompat dari pita valensi ke pita konduksi

disebut pembawa muatan negatif, sedangkan lubang (hole) pada pita valensi

merupakan pembawa muatan positif.

Jika jalur terlarang sempit, elektron bebas mudah dibangkitkan hanya dengan

energi kecil. Bila lebar, maka elektron bebas jarang dibangkitkan seperti halnya

pada isolator. Celah energi untuk beberapa semikondutor dapat dilihat pada Tabel

Dari daftar ini terbukti bahwa intan merupakan isolator yang paling baik karena

celah energinya 6 eV. In Sb dan semacamnya mempunyai kondukivitas yang

besar pada temperatur kamar karena celah energinya kecil.

Tabel 1 Celah Energi Pada Berbagai Semikonduktor

Hanya sedikit bahan yang disebut sebagai semikonduktor dalam keadaan

tidak murni. Oleh karena itu, dalam pembuatannya semikonduktor yang murni

dicampurkan dengan bahan lain. Bahan ini disebut sebagai bahan pengotor atau

dopan. Semikonduktor yang tidak dikotori oleh bahan lain disebut semikonduktor

intrinsik, sedangkan yang diberi pengotor disebut semikonduktor ekstrinsik (Soga

2006).

Semikonduktor ekstrinsik terdiri dari dua tipe yaitu tipe-n dan tipe-p

(Gambar 3). Atom-atom yang dapat dijadikan impuritas (pengotor) berasal dari

atom golongan IIIA dan VA dalam sistem periodik unsur. Penambahan impuritas

dari golongan VA (atom pentavalen) ke dalam semikonduktor intrinsik akan

menghasilkan semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan

menambahkan sejumlah kecil atom pengotor yaitu atom pentavalen seperti

antimoni (Sb), fosfor (P) atau arsenik (As) pada silikon murni. Atom-atom

pengotor ini memiliki lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki

muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon

dalam kisi kristal maka hanya ada empat elektron valensi yang dapat membentuk

ikatan kovalen lengkap dan tersisa satu elektron yang tidak berpasangan.

3a). Karena hasil penggabungan silikon dengan atom pentavalen menghasilkan satu elektron yang tidak berpasangan, maka atom pentavalen disebut atom donor.

Penambahan atom donor ini akan mengubah keadaan energi Fermi mendekat di

bawah pita konduksi (Gambar 3b). Semikonduktor jenis ini atom pengotornya

memiliki kelebihan elektron (atom donor), hal ini menyebabkan kelebihan

elektron di dalam kristal sehingga semikonduktor bermuatan negatif.

Gambar 3 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) struktur pita energi semikonduktor tipe-n (Sze dan Kwok 2007)

Penambahan impuritas dari golongan IIIA ke dalam semikonduktor

intrinsik akan menghasilkan semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-p dapat

dibuat dengan menambahkan atom trivalen (Aluminium (Al), Boron (B), Galium

(Ga) atau Indium (In)) pada semikonduktor murni. Atom pengotor ini mempunyai

tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan

kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi

kristal maka hanya ada empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan

kovalen lengkap dan tersisa satu elektron yang tidak berpasangan (Gambar 4a).

Karena hasil penggabungan silikon dengan atom trivalen menghasilkan satu

elektron yang tidak berpasangan, maka atom trivalen disebut atom aseptor.

Penambahan atom aseptor ini akan mengubah keadaan energi Fermi mendekat di

atas pita valensi (Gambar 4b). Semikonduktor tipe-p memiliki lubang (hole)

sebagai pembawa muatan mayoritas. Semikonduktor jenis ini atom pengotornya

kekurangan elektron, hal ini menyebabkan kekosongan di dalam kristal sehingga

semikonduktor bermuatan positif (Soga 2006).

Gambar 4 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) struktur pita energi semikonduktor tipe-p (Sze dan Kwok 2007)

Jika disinari cahaya, bahan semikonduktor akan mengalami efek fotovoltaik, yaitu penyerapan energi cahaya sehingga membangkitkan elektron

untuk tereksitasi ke pita konduksi dan menghasilkan arus listrik. Dari sifatnya

tersebut maka bahan semikonduktor ini banyak digunakan sebagai bahan dasar

untuk berbagai macam piranti optoelektronik diantaranya fotodioda dan sel surya.

Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel

masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang

berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik.

1.2 Cadmium Sulfida (CdS)

Selain silikon, yang merupakan bahan semikonduktor yang paling sering

digunakan untuk aplikasi sel surya, banyak bahan semikonduktor lain yang

sedang dikembangkan saat ini. Diantaranya bahan semikonduktor yang banyak

dikembangkan sebagai sel surya adalah senyawa II-IV dan I-III-VI. Beberapa

tahun terakhir, terjadi perkembangan yang sangat pesat dalam pengembangan

semikonduktor II-IV yang digunakan pada sel surya. CdS merupakan bahan

semikonduktor logam chalcogenide (II-IV) yang memiliki celah energi sebesar

2,45 eV, indeks bias 2,5 dan termasuk semikonduktor tipe-n. CdS secara luas

digunakan untuk sel surya heterojunction CdS/CdTe dan CdS/Cu2S. Hal ini

disebabkan karena CdS memiliki energi bandgap menengah, efisiensi

konversinya cocok digunakan sebagai bahan sel surya, stabilitas dan biaya

produksinya rendah. Cadmium sulfida (CdS) sangat berguna dalam hal

optoelektronika, piezo-elektronika, dan bahan semikonduktor. Film tipis CdS

sangat menarik terutama masalah efisiensi pengunaannya dalam pembuatan sel

surya (Patidar et al. 2004 dan Devi 2007)

Penelitian tentang sifat fisika film CdS merupakan hal yang menarik. Film

tipis CdS juga menarik jika digunakan untuk meningkatkan efisiensi sel surya.

Beberapa tahun terakhir, banyak bahan semikonduktor subgroup II-VI digunakan

sebagai bahan pembuatan sel surya. Ada beberapa teknik pendeposisian yang

digunakan untuk menumbuhkan lapian CdS sehingga sifat optik, listrik dan

strukturnya sesuai dengan yang diinginkan. Beberapa diantaranya menggunakan

pendeposisian secara kimia, physical vapour deposition, spray pyrolysis (Hiie et

al. 2006), electro deposition, chemical bath deposition (Hiie et al. 2006, Khallaf

et al. 2008 dan 2009, Zhou et al. 2008, Cetinorgu et al. 2006, Metin et al. 2008),

teknik brush plating (Murali et al. 2007), hidrotermal (Jinxin et al. 2007) dan lain-

lain. Dari semua teknik di atas, Chemical Bath Deposition (CBD) merupakan

teknik yang biasanya digunakan untuk menumbuhkan film tipis CdS. Teknik

CBD memiliki banyak keuntungan seperti sederhana, tidak membutuhkan

peralatan yang canggih, bahan yang terbuang sedikit, merupakan cara yang

ekonomis teknik pendeposisian pada area yang luas untuk semikonduktor

golongan II-VI seperti CdS, dan tidak menghasilkan gas yang beracun (Cetinorgu et

al. 2006). Metode CBD merupakan proses yang lambat, sehingga orientasi

kristalnya dapat diatur dengan peningkatan struktur bulirnya. Film CdS yang

ditumbuhkan dengan metode CBD memiliki stoikiometri yang tinggi dan

resistansi dark yang tinggi.

Teknik deposisi yang digunakan untuk menumbuhkan CdS telah banyak

dilakukan dengan metode yang beragam. Penggunaan setiap metode ini akan

mempengaruhi sifat optik, listrik dan struktur CdS yang dihasilkan. Menurut

beberapa literatur, struktur film tipis CdS yang dibuat dengan menggunakan

metode CBD dapat bermacam-macam tergantung pada kondisi deposisi.

Strukturnya dapat berbentuk kubik, hexagonal atau campuran kedua fasa tersebut

(Haider et al. 2008 dan Malinowska et al. 2005). Selain itu, banyak peneliti

mencatat bahwa terjadi pengotoran oleh oksigen dan nitrogen pada film tipis CdS

jika menggunakan metode penumbuhan dengan CBD. Selain itu, penggunaan

complexing agent juga dapat mempengaruhi sifat fisis CdS. Penambahan

complexing agent ammonium dapat memperbesar jumlah cadmium sulfida yang

terbentuk dibanding molekul pengotor lainnya (Malinowska et al. 2005).

Suhu annealing mempengaruhi ukuran kristal, sifat optik dan sifat listrik

film CdS. Jika film CdS dianneling pada suhu kamar atau pada suhu rendah maka

akan terdapat molekul pengotor lain yang terbentuk seperti Cadmium sianida

(CdSN) (Gambar 5) (Haider 2008).

K.R. Murali et al. (2007) menunjukkan bahwa ukuran kristal CdS

meningkat jika CdS dideposisi pada suhu yang semakin tinggi. Karena ukuran

kristalnya berbeda, maka energi gapnyapun berbeda (Gambar 6). Doping CdS

dengan unsur pada golongan IIIA seperti aluminum, indium, boron, dan galium

dapat dilakukan untuk mengubah sifat listrik dan gap energi CdS. Pola difraksi

XRD yang diperoleh ketika CdS didoping Boron tidak terlihat adanya puncak

baru yang menunjukkan bahwa ion B3+ tidak mengubah kristal CdS. Semakin

besar perbandingan konsentrasi Galium dan Cadmium maka energi gap CdSpun

berubah. Ion Ga3+ mungkin malah menggantikan ion Cd2+. Hasil foto SEM

menunjukkan morfologi CdS doping Galium tidak mengalami perubahan (Khallaf

et al. 2009). Selain itu pula dilakukan doping dengan unsur golongan IIIA lainnya

yaitu Boron dan diperoleh hasil yang sama (Khallaf et al. 2009).

Gambar 5 Difraksi sinar X film CdS pada suhu anneling yang berbeda (Murali et al. 2007)

Gambar 6 Energi gap film CdS doping Galium sebagi fungsi perbandingan [Ga]/[Cd] (Khallaf et al. 2009)

1.3 Atom-atom Silikon dan Germanium

Dua tipe dari bahan semikonduktor adalah silikon dan germanium. Kedua atom silikon dan germanium mempunyai empat elektron valensi. Atom-atom ini berlainan yang mana pada silikon mempunyai 14 proton pada intinya dan germanium mempunyai 32 proton. Gambar 16-1 menggambarkan sebuah tampilan dari stuktur atom dari kedua material tersebut.

Gambar 16-1

Diagram dari atom silikon dan germanium

Elektron valensi pada germanium adalah pada kulit ke empat sedangkan pada silikon pada kulit ke tiga, menyelimuti intinya. Ini berarti bahwa elektron valensi germanium lebih tinggi tingkatannya daripada silikon, oleh karena itu, memerlukan penambahan energi yang kecil untuk melepaskan atom. Bagian ini membuat germanium lebih tidak stabil daripada silikon pada suhu yang tinggi, yang mana inilah yang membuat alasan silikon lebih banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor.

Atom Bonding

Ketika tertentu atom bergabung menjadi molekul membentuk bahan padat, mereka mengatur mereka ¬ diri dalam pola tetap disebut kristal. Atom-atom dalam struktur kristal yang diadakan untuk gether oleh ikatan kovalen, yang diciptakan oleh interaksi elektron valensi setiap atom. Potongan padat silikon merupakan bahan kristal.

Gambar 16-2 menunjukkan bagaimana masing-masing posisi atom silikon sendiri dengan empat atom yang berdekatan untuk membentuk sebuah kristal silikon. Sebuah atom silikon dengan empat saham elektron valensi elektron dengan masing-masing empat tetangga. Ini secara efektif menciptakan delapan elektron valensi untuk setiap atom dan menghasilkan keadaan stabilitas kimia. Juga, ini berbagi elektron valensi menghasilkan ikatan kovalen yang memegang atom bersama; setiap pemilihan dibagi tertarik sama oleh dua atom yang berdekatan. Sebuah kristal intrinsik adalah salah satu yang tidak memiliki kotoran.

1.4 Perbandingan semikonduktor dengan konduktor dan bahan isolasi

Pada dasarnya semi konduktor , secara relatif terdapat sedikit elektron bebas, jadi silicon dan germanium sangat tidak berguna dalam bagain terpenting intinya. Tak banyak material semikonduktor dan bahan isolator tidak sebagus konduktor karena arus yaang terdapat pada material mengandalkan berlangsungnya jumlah elektron bebas.

Perbandingan pita energi pada gambar 16-8 untuk bahan isolator, semikonduktor, dan kondukktor terlihat perbedaan pokok pokok terpenting antara ketiganya mengenai konduksi. Celah energi pada bahan isolator begitu lebar sehingga dengan sulit beberapa elektron mendapatkan energi yang cukup untuk meloncat masuk ke pita konduksi. Pita valensi dan pita konduksi dalam konduktor (seperti tembaga) begitu saling melengkapi bahwa selalu banyak elektron konduksi, rata tanpa aplikasi energi external. Semikonduktor seperti pada gambar 16-8 (b) menunjukkan, terdapat celah energi bahwa banyak pembatas begiu pula pada bahan isolasi.

2. Klasifikasi Semikonduktor

Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.

2.1. Semikonduktor Intrinsik

Semik onduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja . Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya, perhatikan gambar 1.

Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama ( ) oleh dua atom Si yang berdekatan.

Menurut teori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing- masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV.

Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyebrangi celah ene rgi. Elektron valensi pada atom Gelebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut hole . Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang, kedua pita terisi sebagian, dan dapat menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik.

Elektron dapat menyebrangi celah energi menuju pita konduksi sehingga menimbulkan hole pada pita valensi

Sebelum hantaran listrik pada bahan semikonduktor ini dibahas lebih rinci, berikut ini akan diuraikan besaran listrik yang umumnya dipakai dalam pengkajian semikonduktor , yaitu mobilitas listrik. Mobilitas listrik (µ) menggambarkan mudah tidakny a (kelincahan) gerak pembawa muatan (elektron, lubang) karena adanya medan listrik . Jika pembawa muatan mengalami medan listrik dengan kuat medan E, maka pembawa muatan bergerak dengan kecepatan alir Vd menurut hubungan :

µ adalah mobilitas listrik dengan satuan (SI) m2 volt-1 det-1. Jika dihubungkan dengan rapat arus listrik :

dan ungkapan terakhir ini dibandingkan dengan hukum Ohm :

maka diperoleh rum u san konduktivitas listrik dalam hubungannya dengan m obilitas :

Selanjutnya, karena maka :

diperoleh ungkapan eksplisit mobilitas dalam kaitannya dengan besaran mikroskopik lainnya (m* dan τ ). Disini jelas bahwa mobilitas berbanding terbalik dengan massa efektif pembawa muatan , artinya bila pembawa muatan besar nilai mobilitas kecil, yang menunjukkan pembawa muatan “tidak lincah”, be gitu sebaliknya. Untuk selanjutnya, mobilitas listrik ini digunakan untuk merumuskan hantaran listrik dalam semikonduktor intrinsik.

Konduktivitas listrik bahan semikonduktor intrinsik dapat dituliskan sebagai berikut :

dengan σe dan σh masing-masing menunjukkan konduktivitas oleh elektron dan lubang (hole), yang memiliki bentuk :

e muatan/lubang, ne dan nh menyatakan konsentrasi elektron dan lubang, serta µe dan µh menunjukkan mobilitas elektron dan lubang.

Konsentrasi elektron dan lubang dapat ditentukan berdasarkan perumusan dasar umum yang merupakan penerapan teori el ektron bebas kuantum :

f(E) adalah fungsi distribusi Fermi-Dirac dan g(E) adalah rapat keadaan elektr on/lubang. Dengan menggunakan persamaan (3.22) dan (3.38) serta menerapkan struktur pita seperti pada gambar 4.1.b., akan di dapatkan konsentrasi elektron (ne) dan lubang (nn) sebagai beri kut :

dengan me* dan mh* adalah massa efektif elektron dan lubang, dan Ec, Ev serta EF berturut-turut menyatakan tingkat energi dasar pita konduktif, tingkat energi puncak pita valensi, dan tingkat energi Fermi dalam struktur pita.

Selanjutnya, dapat didefinisikan konsentrasi pembawa muatan intrinsik, atau

sering disebut konsentrasi intrinsik (ni) menurut pengungkapan :

Kembali pada perumusan konduktivitas listrik semikonduktif intrinsik di atas, dan dengan menggunakan persamaan-persamaan tersebut dapat diungkapkan :

σo suatu tetapan yang berubah “relatif lambat” terhadap suhu di bandingkan faktor exp (-Eg/kBT). Dari persamaan terakhir jelas bahwa konduktivitas listrik akan meningkat dengan meningkatn ya suhu, dan inilah salah satu ciri bahan semikonduktor.

2.2. Semikonduksi Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik, yaitu, perilaku listrik yang ditentukan oleh ketidakmurnian, yang mana jika terdapat konsentrasi bahkan sangat sedikit, mengakibatkan kelebihan elektron atau hole. Sebagai contoh, konsentrasi ketidakmurnian satu atom pada 1012 cukup untuk membuat silikon ekstrinsik pada suhu kamar.

Semikonduksi Ekstrinsik tipe-n

Atom Si memiliki 4 elektron, yang masing-masing terikat secara kovalen dengan satu dari empat atom Si yang berdekatan. Sekarang, sebuah atom ketidakmurnian dengan valensi 5 ditambahkan sebagai ketidakmurnian substitusi, kemungkinan akan meliputi atom dari kelompok VA dari tabel periodik (misalnya, P, As, dan Sb). Hanya empat dari lima elektron valensi dari atom ketidakmurnian yang bisa berpartisipasi dalam ikatan karena hanya ada empat ikatan yang memungkinkan dengan atom tetangga. Elektron sisa yang tak berikatan terikat ke daerah sekitar atom ketidakmurnian oleh daya tarik elektrostatik yang lemah, seperti digambarkan pada Gambar 4a. Energi ikat elektron ini relatif kecil (pada orde 0,01 eV), oleh karena itu mudah dilepaskan dari atom ketidakmurnian, dalam hal ini menjadi bebas atau konduksi elektron (Gambar 4b dan 4c).

Gambar 2.4 Model semikonduksi ekstrinsik tipe-n (ikatan elektron). (a) Sebuah atom ketidakmurnian seperti fosfor, memiliki lima valensi elektron, dapat menggantikan atom silikon. Ini menyebabkan pengikatan elektron sisa, yang terikat pada atom ketidakmurnian dan mengorbit pada itu. (b) Eksitasi untuk membentuk elektron bebas. (c) gerakan elektron bebas ini dalam menanggapi medan listrik.

Keadaan energi elektron dapat dilihat dari segi skema model pita elektron. Untuk setiap elektron yang terikat longgar, terdapat satu tingkat energi, atau keadaan energi, yang terletak di dalam celah pita tepat di bawah bagian bawah pita konduksi (Gambar 5a). Energi ikat elektron sesuai dengan energi yang dibutuhkan untuk merangsang elektron dari keadaan ketidakmurnian ke keadaan pita konduksi. Setiap peristiwa eksitasi (Gambar 5b) menyediakan atau menyumbangkan satu elektron ke pita konduksi, ketidakmurnian tipe ini

disebut donor. Karena elektron donor dieksitasi dari tingkat ketidakmurnian, tidak ada hole yang tercipta dalam pita valensi.

Gambar 2.5 (a) skema pita energi elektron untuk tingkat ketidakmurnian donor terletak di celah pita dan di bawah bagian bawah pita konduksi. (b) Eksitasi dari keadaan donor dimana elektron bebas dihasilkan dalam pita konduksi.

Pada suhu kamar, energi panas yang tersedia cukup untuk merangsang sejumlah besar elektron dari keadaan-keadaan donor, di samping itu, beberapa terjadi transisi pita valensi intrinsik ke pita konduksi, tetapi untuk tingkat yang dapat diabaikan. Dengan demikian, jumlah elektron pada pita konduksi jauh melebihi jumlah hole di pita valensi (atau ), yaitu,

Bahan jenis ini dikatakan semikonduktor ekstrinsik tipe-n. Elektron merupakan pembawa mayoritas berdasarkan kepadatan atau konsentrasi mereka, hole, sebaliknya, merupakan pembawa muatan minoritas. Untuk tipe-n semikonduktor, tingkat Fermi digeser ke atas celah pita, sampai berada di sekitar keadaan donor; posisi yang tepat merupakan fungsi dari suhu dan konsentrasi donor.

Semikonduksi Ekstrinsik tipe-p

Efek berlawanan dihasilkan dengan penambahan ketidakmurnian trivalen seperti aluminium, boron, dan galium dari golongan IIIA dari tabel periodik pada silikon atau germanium. Salah satu ikatan kovalen di sekitar masing-masing atom tersebut kekurangan elektron, kekurangan tersebut dapat dilihat sebagai hole yang secara lemah terikat pada atom ketidakmurnian. Hole ini mungkin dibebaskan dari atom impuritas dengan transfer elektron dari ikatan yang berdekatan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6. Pada intinya, elektron dan hole bertukar posisi. Pergerakan hole dianggap dalam keadaan tereksitasi dan berpartisipasi dalam proses konduksi, dengan cara yang dianalogikan dengan eksitasi elektron donor.

Gambar 2.6 Model semikonduksi ekstrinsik tipe-p (ikatan elektron). (a) atom ketidakmurnian seperti boron, memiliki tiga elektron valensi, bisa menggantikan atom silikon. Hal ini menyebabkan kekurangan satu elektron valensi, atau hole yang terkait dengan atom ketidakmurnian. (b) Pergerakan hole dalam menanggapi medan listrik.

Eksitasi ekstrinsik, dimana hole yang dihasilkan, juga dapat diwakili menggunakan model pita. Setiap atom ketidakmurnian jenis ini memberikan tingkat energi dalam celah pita, di atas namun sangat dekat dengan bagian atas pita valensi (Gambar 7a). Hole dimisalkan tercipta dalam pita valensi karena eksitasi termal elektron dari pita valensi ke keadaan elektron pengotor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Dengan transisi seperti ini, hanya satu pembawa dihasilkan yaitu lubang di pita valensi, elektron bebas tidak diciptakan baik tingkat ketidakmurnian atau pita konduksi. Ketidakmurnian jenis ini disebut sebagai akseptor, karena mampu menerima elektron dari pita valensi, dan menyisakan lubang. Tingkat energi dalam celah pita yang diberikan oleh jenis ketidakmurnian ini disebut keadaan akseptor.

Gambar 2.7 (a) skema pita energi untuk tingkat ketidakmurnian akseptor terletak di celah pita dan di atas bagian atas pita valensi. (b) Eksitasi elektron ke tingkat akseptor, meninggalkan lubang di pita valensi.

Untuk jenis konduksi ekstrinsik ini, hole ada dalam konsentrasi yang lebih tinggi daripada elektron (yaitu, ), dan dalam keadaan ini material ini disebut tipe-p karena partikel bermuatan positif terutama bertanggung jawab untuk konduksi listrik. Tentu saja, hole adalah pembawa mayoritas, dan elektron yang ada dalam konsentrasi minoritas. Dengan persamaan sebagai berikut

Untuk semikonduktor tipe-p, tingkat Fermi diposisikan dalam celah pita dan dekat ke tingkat akseptor. Semikonduktor ekstrinsik (tipe n dan p) dihasilkan dari bahan yang kemurniannya awalnya sangat tinggi, umumnya memiliki total ketidakmurnian pada orde 10-7 dalam %. Konsentrasi donor atau akseptor tertentu kemudian sengaja ditambahkan, dengan menggunakan berbagai teknik. Proses paduan dalam bahan semikonduktor semacam ini disebut doping.

Dalam semikonduktor ekstrinsik, sejumlah besar pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung pada jenis ketidakmurnian) diciptakan pada suhu kamar, oleh energi panas yang tersedia. Sebagian besar bahan-bahan dirancang untuk digunakan pada perangkat elektronik yang akan dioperasikan pada kondisi kamar.

2.3 Konsentrasi Pembawa Bergantung Suhu

Gambar 8 plot logaritma dari konsentrasi pembawa intrinsik ni terhadap suhu untuk kedua silikon dan germanium. Konsentrasi elektron dan hole meningkat seiring dengan suhu karena, dengan meningkatnya suhu, lebih banyak energi panas yang tersedia untuk merangsang elektron dari valensi ke pita konduksi. Selain itu, pada semua suhu, konsentrasi pembawa di Ge lebih besar daripada Si. Efek ini disebabkan celah pita germanium lebih kecil (0,67 terhadap 1,11 eV, Tabel 1), dengan demikian, untuk Ge, setiap diberikan suhu akan lebih banyak elektron yang tereksitasi melewati celah pitanya.

Grafik 2.1 Konsentrasi pembawa intrinsik (skala logaritmik) sebagai fungsi temperatur untuk germanium dan silikon.

Di sisi lain, perilaku konsentrasi pembawa terhadap suhu untuk semikonduktor ekstrinsik sangat berbeda. Contoh, konsentrasi elektron terhadap suhu untuk silikon yang telah didoping dengan 1021 m-3 atom fosfor diplot pada Gambar 9.

Grafik 2.2 Konsentrasi elektron terhadap temperatur untuk silicon (tipe-n) yang telah didoping dengan 1021 m-3 ketidakmurnian donor, dan silikon intrinsik (garis putus-putus).

Pada kurva ekstrinsik tiga daerah. Pada suhu menengah (di antara sekitar 150 K dan 475 K) bahan ini tipe-n (P adalah ketidakmurnian donor), dan konsentrasi elektron konstan, ini disebut sebagai "daerah suhu ekstrinsik". Elektron pada pita konduksi tereksitasi dari keadaan donor fosfor, dan karena konsentrasi elektron kira-kira sama dengan isi P (1021 m-3), hampir semua atom fosfor terionisasi. Eksitasi intrinsik di celah pita tidak penting dalam kaitannya dengan Eksitasi donor ekstrinsik. Kisaran suhu dimana wilayah ekstrinsik ini ada akan tergantung pada konsentrasi ketidamurnian. Sebagian besar perangkat padat dirancang untuk beroperasi dalam kisaran suhu ini.

Pada suhu rendah, di bawah sekitar 100 K, konsentrasi elektron turun secara dramatis dengan adanya penurunan suhu dan mendekati nol pada 0 K. Selama temperatur ini, energi panas tidak cukup untuk mengeksitasi elektron dari tingkat donor P ke pita konduksi. Ini disebut sebagai "daerah suhu beku" karena pembawa dibebankan (yaitu, elektron) yang "dibekukan" ke atom dopan. Pada skala temperature paling tinggi, konsentrasi elektron meningkat di atas kandungan P dan secara asimtotik mendekati kurva intrinsik dengan meningkatnya suhu. Ini disebut daerah bersuhu intrinsik karena pada suhu tinggi ini semikonduktor menjadi intrinsik, yaitu, konsentrasi pembawa muatan yang dihasilkan dari eksitasi elektron melintasi celah pita awalnya setara dan kemudian membanjiri kontribusi pembawa donor dengan meningkatnya suhu.

2.4 Faktor Yang Mempengaruhi Mobilitas Pembawa

Konduktivitas (atau resistivity) dari bahan semikonduktor, selain menjadi tergantung pada konsentrasi elektron dan / atau hole, juga merupakan fungsi mobilitas pembawa muatan yaitu, kemudahan elektron dan hole dibawa melalui kristal. Besarnya mobilitas elektron dan hole dipengaruhi oleh adanya cacat kristal, getaran termal (yaitu, suhu) dan ketidakmurnian atom yang bertanggung jawab untuk hamburan elektron dalam logam.

2.4.1 Pengaruh Kadar dopan

Grafik 2.3 Untuk silikon, mobilitas elektron dan hole (skala logaritmik) terhadap kadar dopan (skala logaritmik) pada suhu kamar.

Gambar 10 menggambarkan mobilitas elektron dan hole pada silikon sebagai fungsi fungsi dopan (akseptor dan donor), pada suhu kamar. Pada konsentrasi dopan kurang dari 1020 m-3, mobilitas kedua pembawa berada pada tingkat maksimum dan tidak tergantung konsentrasi doping. Selain itu, kedua mobilitas menurun dengan meningkatnya kandungan ketidakmurnian. Mobilitas elektron selalu lebih besar dari mobilitas lubang.

2.4.2 Pengaruh Suhu

Untuk konsentrasi dopan 1024 m-3 dan di bawahnya, mobilitas elektron dan hole besarnya menurun dengan meningkatnya suhu. Efek ini adalah karena peningkatan hamburan termal pembawa. Untuk elektron dan hole, dan tingkat dopan kurang dari 1020 m-3, ketergantungan mobilitas pada suhu tak tergantung pada konsentrasi akseptor / donor.

2.6 Efek Hall

Efek Hall adalah hasil dari fenomena dimana medan magnet yang diterapkan tegak lurus terhadap arah gerak partikel bermuatan memberikan gaya partikel tegak lurus terhadap medan magnet dan arah gerak partikel.

Gambar 2.8 Demonstrasi Skema efek Hall. Pembawa muatan positif dan / atau negatif yang menjadi bagian arus Ix dibelokkan oleh medan magnet Bz dan menimbulkan tegangan Hall, VH.

Dalam menunjukkan efek Hall, perhatikan geometri spesimen yang ditunjukkan pada Gambar 12, spesimen memiliki satu sudut yang terletak di titik asal sistem koordinat Cartesian. Dalam respon terhadap medan listrik yang diterapkan secara eksternal, elektron dan / atau hole bergerak ke arah x dan menimbulkan arus Ix. Ketika medan magnet dikenakan dalam arah z positif (dinotasikan sebagai Bz), gaya yang dihasilkan akan mempengaruhi pembawa muatan yang akan menyebabkan mereka dibelokkan ke arah y - hole (pembawa bermuatan positif) ke permukaan specimen sebelah kanan dan elektron (bermuatan negatif) permukaan sebelah kiri, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dengan demikian, tegangan, disebut sebagai tegangan Hall VH, akan dibentuk dalam arah y. Besarnya VH akan tergantung pada Ix, Bz, dan ketebalan spesimen d sebagai berikut:

Dalam pernyataan ini RH disebut koefisien Hall, yang merupakan konstan untuk bahan tertentu. Untuk logam, dimana konduksi dengan elektron, RH negatif dan sama dengan

Dengan demikian, n dapat ditentukan, karena RH dapat diukur menggunakan Persamaan diatas dan dengan besarnya e, muatan pada elektron, diketahui. Untuk besarnya mobilitas elektron

atau

2. Dioda Semikonduktor

Dioda atau dioda semikonduktor (setengah penghantar) adalah komponen

elektronika terbuat dari bahan yang bersifat antara isolator dan penghantar

(konduktor). Bahan semi konduktor yang paling banyak digunakan di bidang

elektronika yaitu germanium (Ge) dan silikon (Si). Diantara kedua jenis

konduktor tersebut yang paling banyak digunakan adalah bahan silikon, karena

bahan silikon lebih tahan terhadap panas dibandingkan dengan bahan germanium.

Sifat-sifat dari bahan semikonduktor dapat diuraikan berdasarkan teori atom yang

sederhana. Setiap atom memiliki inti atom (nucleus) dan elektron yang

mengelilingi inti atom, dimana elektron ini bermuatan negatif dan inti atom

sendiri terdiri dari proton yang bermuatan negatif atau netral demikian juga atom

silikon, atom silicon mempunyai inti atom dan elektron yang mengelilingi inti

atomnya dengan jumlah lintasan tertentu (gambar 1.1).lintasan pertama paling

dekat dengan inti atom dikatakan lengkap apabila terdiri dari dua elektron,

lintasan kedua akan lengkap apabila terdiri dari 18 elektron dan seterusnya,dimana

jumlah elektron yang bergerak melalui lintasannya  berlaku rumus  : 2n2.

Jika pada lintasan paling luar suatu atom mempunyai elektron yang tidak

lengkap, elektron-elektron paling luar ini disebut elektron valensi. Dan sifat atom

ini ditentukan oleh keadaan elektron valensinya tersebut.

Apabila pada lintasan paling  luar atom tidak terisi lengkap elektron-

elektron, seperti halnya didalam bahan semikonduktor, maka atom-atom akan

saling berkombinasi dan bergabung sedemikian rupa secara kimia dan menjadikan

elektron pada lintasan paling luar saling mengisi sehingga membuat keadaan atom

stabil. Setiap elektron terikat pada selnya dengan adanya gaya keseimbangan

antara gaya sentrifugal yang arahnya keluar dengan gaya tarik dari inti atom.

(+)        =          Inti Atom

(-)        =          Elektron

Atom silicon dengan distribusi muatannya

Semakin dekat lintasan elektron dengan intinya, maka semakin kuat ikatan

inti atom dengan dengan elektron pada lintasan tersebut. Akan tetapi bagi elektron

yang memiliki jarak terjauh dari inti atom, ikatan antara inti atom dengan

elektronnya pun menjadi paling lemah. Oleh karena itu pada temperatur kamar,

elektron-elektron yang memiliki ikatan paling lemah tadi terlepas dari ikatannya

dan dapat berpindah dari aton yang satu ke atom yang lainnya (untuk bahan suatu

konduktor/penghantar). Elektron-elektron yang berpindah tersebut dinamakan free

electron (elektron bebas) dan dengan pengaruh perbedaan potensial yang kecil

pada Sebuah bahan konduktor, maka elektron bebas tadi akan ditarik menuju

potensial positif sehingga akan terjadi arus elektron, yang menimbulkan terjadinya

arus listrik.

Akan tetapi pada sebuah isolator, elektron-elektron valensi terikat sangat

kuat dengan intinya sehingga tidak terdapat elektron bebas. Oleh karena itu,

dengan pemberian perbedaan potensial yang kecil pada bahan isolator, tidak akan

ada elektron bebas menuju potensial positif, dan arus elektronpun tidak akan

terjadi, artinya akan sulit untuk menghantar arus listrik pada bahan isolator

tersebut. Namun pada perbedaan potensial yang sangat tinggi, maka akan terjadi

pelepasan elektron-elektron secara paksa dari intinya menuju potensial positif dan

menghasilkan arus elektron yang sangat kecil.

Di dalam bahan semikonduktor seperti halnya atom silicon memiliki tiga

buah llintasan elektron seperti pada gambar 1.1. banyaknya elektron-elektron yang

berada pada kulit terluar suatu atom, menentukan valensi dari atom tersebut,. Dan

elektron-elekton paling luar dinamakan elektron valensi.

Bila atom silicon digambarkan menurut elektron valensinya, maka

gambarnya dapat dilihat seperti di bawah ini.

Atom silicon dengan elektron valensinya

Karena muatan atom yang netral selalu sebesar 0, maka muatan inti atom

sebesar +4 yang diimbangi dengan muatan dari elektron sejumlah 4 buah, juga

sebagai elektron valensi yang mengelilingi intinya tadi.

Bahan kristal tersebut ikatan valensinya tidak begitu kuat satu sama lain

sehingga dengan pemberian panas, terjadi energi yang cukup untuk memutuskan

ikatan kovalensinya tadi. Dengan terputusnya ikatan kovalensi akibat pengaruh

agitasi thermis (pemberian panas) tadi, maka elektron-elektron bebas sebagai

penghantar. Bahan-bahan yang seperti ini disebut bahan semikonduktor (setengah

penghantar).

Pada bahan kristal tadi, selain panas photon pun dapat memberikan energi

yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalensi di dalam suatu  bahan

semikonduktor.

Apabila suatu photon mempunyai energi yang cukup, dan mengenai suatu

elektron valensi, maka photon tersebut dapat melepaskan satu ikatan kovalen dan

membebaskan satu elektron, sehingga terdapat satu tempat yang kosong pada

tempat elektron yang baru dilepaskan tadi. Tempat kosong itu dinamakan hole dan

dia bebas bergerak di dalam struktur kristal tersebut. Hole ini mempunyai muatan

positif yang sama besar dengan muatan negatif elektron.

Proses terbentuknya elektron bebas dan hole tersebut dinamakan generasi

(generation) dan sebaliknya, jika suatu hole diisi oleh elektron bebas dinamakan

rekombinasi (recombination) seperti yang terlihat pada gambar 1.4 berikut.

(-)  Elektron bebas

(-)  Elektron bebas

(a)  Proses generasi  

(b)  Proses rekombinasi

Proses generasi dan rekombinasi

Bahan semikonduktor di atas tadi disebut bahan semikonduktor murni

(semikonduktor intrinsik).

Pada prakteknya bahan semikonduktor ini biasanya terbuat dari bahan

setengah penghantar dengan pengotoran bahan lain. Bahan pengotor (Impuritas)

ini adalah atom yang mempunyai valensi 5 dan 3 seperti phosfor, antimon,

arsenikum yang mempunyai valensi 5 sedangkan atom yang mempunyai valensi 3

adalah boron, alliminium, gallium, indium.

Jika sejumlah kecil unsur yang mempunyai lima elektron valensi

dimasukkan ke dalam bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium

dengan derajat kemurnian yang tinggi maka, atom impuritas tidak akan dapat

melakukan ikatan yang sempurna sebab empat dari kelima elektron valensinya

akan masuk ke dalam ikatan-ikatan dengan germanium, tetapi elektron yang

kelima akan tetap tertinggal/tidak terikat dalam ikatan kovalensi di dalam kristal

tersebut, dan pada saat tertentu turut serta melangsungkan proses konduksi. Jadi

disini kondisi dilakukan oleh muatan negatif atau impuritas/pengotor tadi disebut

atom donor, yang menyediakan elektron.

Semikonduktor jenis N

            Lain halnya apabila silikon atau germanium yang mempunyai

valensi empat dicampur dengan atom indium yang memiliki valensi tiga, maka

atom impuritas tidak akan dapat melekukan ikatan yang sempurna sebab akan

terdapat satu tempat kosong pada ikatan kovalensi. Tempat kosong tersebut

dinamakan hole. Hole ini bebas bergerak di dalam kristal dan akan mengambil

bagian dalam proses konduksi sebagai muatan positif. Bahan seperti ini

dinamakan semikonduktor jenis P dan atom impuritasnya disebut sebagai acceptor

(akseptor) dan digambarkan sebagai berikut.

                                                 

Semikonduktor jenis P

Konduksi oleh  hole atau elektron dalam bahan-bahan semikonduktor P atau

semikonduktor N dapat dijelaskan dengan jalur energi  dalam kristal. Dimana

pada jalur energi yang rendah ketiadaan beberapa elektron dalam ikatan kovalensi

pada bahan P akan menimbulkan tingkatan-tingkatan tak penuh (tak terisi).

Karena jalurnya tidak penuh, maka jalur ini dapat dipandang sebagai jalur

konduksi yang memberi kemungkinan elektron pindah dari hole ke hole atau

dengan kata lain hole dapat berpindah dari atom satu ke atom yang lainnya dalam

satu kristal tersebut.

Demikian pula bahan N dimana elektron yang lebih atau elektron bebas dari

atom donor mempunyai energi yang cukup tinggi sehingga dapat berpindah ke

jalur koduksi yang beresensi lebih tinggi untuk memungkinkan berlangsungnya

konduksi oleh elektron atau jenis N.

1. PN – Junction

Kristal tunggal dapat dibentuk dengan menghubungkan dua daerah P dan N

seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Dioda Grown – Junction

Kedua daerah ini dapat dibentuk dalam kristal dengan hasil penumbuhan

(grown crystal) yaitu dengan memasukkan impuritas N ke dalam cairan dari mana

kristal ditumbuhkan yang secara cepat dengan memasukkan impuritas P yang

cukup banyak untuk mengalahkan pengaruh impuritas N dan akan menghasilkan

konduksi P. Dengan demikian maka, sekarang terjadi junction antara P dan N

yang kita sebut dengan nama Dioda grown junction.

PN – Junction ini dapat juga dihasilkan dengan cara melelehkan bahan

impuritas P pada kepingan bahan yang tipis atau mengendapkan uap bahan P di

atas kepingan N tadi. Dengan mengawasi dan mengatur secara cermat proses

pengerjaannya maka peralihan dari daerah N ke P dapat dibuat dengan tiba-tiba

seperti terlihat hasilnya pada gambar berikut.

Dioda fused – Junction

Cara lain dalam pembentukan PN – junction ini dapat dijelaaskan seperti

uraian di bawah ini.

Sebelum dilakukan penyambungan, pada bahan N akan terdapat banyak

elektron bebas yang mempunyai energi tinggi dan sedikit hole intrinsiknya,

sedangkan pada bahan P terdapat banyak hole dan sedikit elektron intrinsiknya

(akibat pembentukan pasangan oleh energi thermis).

Bahan N dan bahan P sebelum dipertemukan.

Pada saat kedua permukaan bahan P dan N dipertemukan secara baik, maka

akan terjadi difusi muatan menyebrangi bidang batas permukaannya. Artinya,

untuk sementara gerakan-gerakan muatannya masih simpang siur secara

sembarang dari bahan N, yaitu elektron bergerak menuju bahan P.

Jadi di bawah pergerakan sembarang, akan terjadi total difusimuaatan yang

melintasi bidang batas permukaannya tadi. Hal ini akan menempatkan lebih

banyak elektron atau muatan negatif pada sisi bidang batas bahan P, dan

mengakibatkan kekurangan elektron pada sisi bidang batas bahan N atau muatan

positif pada sisi bahan N.

                                               

Bahan N dan bahan P setelah dipertemukan. Atau setelah ada bidang

batasnya. Dengan demikian terjadilah tegangan melintang pada daerah

pengosongan muatan, pada sisi bahan P negatif terhadap sisi bahan N.

Dalam hal ini, dengan adanya tegangan akan segera mengakibatkan

komponen arus mengalir ke satu arah. Karena di daerah junction yang terisolir

tidak ada arus total yang mengalir. Oleh kaarena itu dapat kita simpulkan bahwa

arus difusi akibbat distribusi kembali muatan adalah sama besar, tetapi

berlawanan arah dengan arus pergeseran ke satu arah akibat tegangan barrier. Juga

dapat disimpulkan bahwa PN – Junction mempunyai sifat menyearahkan. Jika

pada junction dipasangkan tegangan luar dengan apa yang dinamakan reverse bias

voltage seperti gambar 1.11, dengan daerah P negatif, maka pembawa-pembawa

muatan mayoritas pada masing-masing sisi akan di dorong lebih jauh ke arah luar

junction. Dengan kata lain lapisan barrier akan menjadi lebih tebal. Yang masih

tertinggal di daerah pengosongan hanyalah beberapa pembawa muatan minoritas

saja yang timbul akibat pengaruh thermisyang merupakan penyebab timbulnya

arus bocor i0  yang relatif kecil. Dengan demikian, dioda junction merupakan

tahanan yang tinggi pada pemberian reverse bias voltage.

Jadi dapat disimpulkan bahwa jika dioda junction diberi reverse bias voltage

(tegangan panjar dengan arah berlawanan) maka dioda junction merupakan

tahanan tinggi sehingga arus listrik tidak dapat melaluinya.

Jika tegangan luar dipasang dalam arah forward (Forward Bias Voltage/

tegangan arah maju) seperti pada gambar 1.12. dengan daerah P positif pembawa-

0pembawa muatan dari masing-masing sisi akan bergerak memasuki daerah

pengosongan dan menembus  junction. Dalam hal ini PN – Junction mempunyai

tahanan rendah sehingga timbularus yang cukup besar, yang besarnya tergantung

pada rapat pembawa, luas junction dan tegangan yang terpasang.

PN – Junction diberi forward bias

2.                  Simbol dan Konstruksi Dioda

Seperti sudah dijelaskan bahwa PN – Junction atau dioda junction

mempunyai muatan positif dan muatan negatif. Muatan positif tersebut dinamakan

anoda sedangkan muatan negatifnya dinamakan katoda. Oleh karena itu dioda ini

mempunyai dua elektroda yaitu anoda dan katoda.

Anoda biasa disingkat dengan huruf A dan katoda disingkat dengan huruf K.

Adapun bentuk kontruksi sebuah dioda semikonduktordapat dilihat pada gambar

berikut.

Konstruksi Dioda Semikonduktor

Kawat pennghubung A dinamakan anoda dan kawat penghubung K

dinamakan katoda. Anoda ini bermuatan positif karena kawat penghubung A

dihubungkan dengan daerah P sedangkan kawat penghubung K bermuatan negatif

karena dihubungkan dengan daerah N. Oleh karena itu katoda sebagai sumber

elektron sedangkan anoda berfungsi sebagai penghisap/penampung elektron dari

katoda.

3. Cara Kerja Dioda Semikonduktor

Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa pada saat dioda atau PN – Junction

diberi tegangan forward bias, maka PN – Junction memiliki tahanan rendah,

sedangkan jika PN – Junction diberi tegangan reverse bias, maka PN – Junction

memiliki tahanan yang tinggi sekali.

Dari keterangan di atas, jelaslah bagi kita bahwa dioda dapat bekerja pada

saat diberi tegangan forward bias, sedangkan pada saat diberi tegangan reverse

bias, dioda tidak bekerja dalam artian tidak menghantarkan arus listrik.

4. Karakteristik Dioda Semikonduktor

Karakteristik dioda ini ialah grafik yang menggambarkan besarnya harga-

harga arus anoda bila besarnya harga-harga tegangan anoda diubah-ubah. Seperti

kita ketehui sebelumnya bahwa dioda (PN - Junction) diberi tegangan dengan

hubungan arah maju, maka timbul arus maju. Dan sebaliknya apabila dioda diberi

tegangan dengan hubungan arah mundur/balik maka akan timbul arus balik yang

sangat kecil, maka dari itu arus balik dianggap tidak ada.

Berarti dapat dikatakan bahwa dioda adalah tahanan satu arah, karena dioda

hanya dapat menghantarkan arus listrik dari anoda ke katoda. Dan dapat ditarik

kesimpulan bahwa cara kerja dioda adalah sebagai berikut:

a) Bila tegangan anoda nol terhadap katoda, maka anoda tidak

menghisap elektron dari katoda. Sebenarnya ada beberapa elektron

dengan kecepatan tinggi dapat mencapai anoda, dan eloran elektron

ini menghasilkan arus listrik yang sangat kecil sekali, tidak terlihat

pada ampere meter, sehingga dapat diabaikan.

b) Bila tegangan anoda negatif terhadap katoda (tegangan dengan

hubungan arah balik), maka akan timbul medan listrik yang arahnya

menolak elektron, sehingga dioda tidak menghantarkan arus listrik.

c) Bila tegangan anoda positif terhadap katoda (tegangan yang

diberikan adalah arah maju), maka timbul medan listrik yang

arahnya menghisap elektron, sehingga dioda menghantarkan arus

listrik.Bias Maju (Forward Bias, VD > 0)

Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tarik terhadap

elektron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak mengarah ke

sumber tegangan. Akibatnya depletion region menyusut. Hal ini membuka

kembali kemungkinan bagi carrier untuk menyeberangi junction, dan bergerak

mengelilingi rangkaian. Pada rangkaian timbul arus listrik. Hal di atas hanya bisa

terjadi jika tegangan luar lebih besar dari potential barrier.

Bias Mundur (Reverse Bias, VD < 0)

Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tolak terhadap

electron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak menjauhi

sumber tegangan. Akibatnya depletion region melebar dan potential barrier

meningkat.