Jurusan Teknik Elektro : 1. Ernawati

2. M Ahimsa Ilham

TUGAS KELOMPOK 1 Materi : -Tingkat Energi Pada Zat Padat

-Transport Sistem Pada Semikonduktor

PENDAHULUAN

ZAT PADAT

Sifat sifat zat padat bergantung pada: Jenis atom penyusunnya Struktur materialnya

Berdasarkan struktur atom dalam zat padat dikenal dua macam zat padat, yaitu kristal dan amorf.

Jenis ikatan pada zat padat : ikatan ion, kovalen, logam, Van der Waals atau ikatan Hidrogin

adalah zat padat yang susunan atom atom atau molekul memiliki keteraturan pada jarak panjang dan berulangPerhatikan perbedaan susunan atom antara kristal dan amorf

Kristal Amorf

KRISTAL

4

Kekerasan Zat Padat

Mengapa Intan dan Arang

yang disusun oleh atom atom

yang sama, yaitu atom karbon

memiliki kekerasan yang berbeda?

PERHATIKAN SUSUNAN KRISTAL INTAN DAN KARBON

Intan Karbon

Bandingkan perbedaanya Intan Carbon

Atomatomnya hanya terikat kuat pada tiap lembaran, sedangkan ikatan antar atom pada lembaran yang berdekatan relatif lebih lemah

• Berwarna hitam• Tidak keras• Mudah di buat dan murah

Atom atom karbon saling mengikat dengan kuat dalam pola tertutup

* Berwarna bening * Sangat keras* Merupakan batu perhiasan yang sangat mahal

IKATAN PADA KRISTAL

JENIS IKATAN

ASAL IKATAN

SIPAT

Jenis Ikatan Asal ikatan Sifat

Kovalen Patungan elektron

Sangat keras;titik lebur tinggi;larut dalam sedikit cairan; transparan terhadap cahaya tampak

Ionik

Gaya tarik menarik elektrostatik antara ion positif dan ioan negatif

Keras; titk lebur tinggi; mungkin larut dalam cairan polar seperti air

Logam

Gaya tarik menarik elektrostatik antara ion positif logam dengan awan elektron

Berkilauan,;menghantarkan kalor dan listrik dengan baik

Van der Waals

Gaya Van der Waals akibat distribusi muatan yang tidak simetris

Lunak; titik lebur dan titik didih rendah ;larut dalam cairan kovalen

Hidrogin

Gaya tarik menarik elektrostatik kuat antara hidrogin pada satu molekul dengan atom N, O atau F

Lebih kuat dari ikatan Van der Wals, titik lebur dan titik adidih lebih tinggi dari ikatan Van der Wals

Tingkatanene rgi dalam satu kelompok yang berdekatan

3 s3 s

En

ergiTingkat energi 3s atom 2 natrium yang berdekatan

Tingkat energi 3s enam atom Natrium yang saling berdekatan

En

ergi

TINGKATAN ENERGI

Tingkatan energi kulit dalam

Tingkatan energi kulit luar

Pita E

nergi

Atom TunggalAtom Banyak

Berdekatan

Celah terlarang besar

Celah terlarang kecil

Pita valensi

Pita konduksi

Konduktor Isolator Semi- konduktor

DISTRIBUSI ENERGI

kosongKosong

Kosong

TRANSPORT SISTEM PADA SEMI KONDUKTOR

Bagian yang gelap menyatakan bagian yang mempunyai muatan total positif, berasal dari inti atom dan elektron bagian dalam yang terikat kuat.

Titik hitam menggambarkan elektron luar atau elektron valensi dari atom.

Bayangkan suatu logam dapat dibayangkan sebagai suatu ruang yang mengandung kisi-kisi ion berat, yang periodik dalam tiga dimensi, yang saling mengikat dengan kuat dan diantaranya diisi oleh kawanan elektron yang bergerak kian kemari.

Gambaran gas elektron dari logam

TEORI GAS ELEKTRON DARI LOGAM

Elektron terus menerus bergerak yang arahnya selalu berubah-ubah setelah mengalami tumbukan dengan ion yang berat (yang hampir selalu diam).

Jarak rata-rata antara dua tumbukan disebut jarak bebas rata-rata.

Gerak elektron yang acak mengakibatkan pada suatu saat elektron yang bergerak melalui suatu satuan luas dalam logam dalam dua arah yang berlawanan rata-rata sama banyaknya. Oleh karena itu arus rata-ratanya sama dengan nol.

Kecepatan Hanyut V- Arahnya berlawanan dengan arah medan

listrik.- Kecepatan dalam waktu t antara dua

tumbukan adalah at, dimana a = q / m adalah percepatan.

- Kecepatan V berbanding lurus dengan .

- (m kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.

ELEKTRON & HOLE DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

K

onduktivitas berbanding lurus dengan konsentrasi n dari elektron bebas.

K

onduktor yang baik n = elektron/meter kubik

I

solator n =

S

emikonduktor harga n diantara konduktor dan isolator

 

Ikatan Kovalen

Struktur kristal Ge dilukiskan secara simbolik dalam dua dimensi

Elektron valensiIkatan kovalen Atom Germanium mempunyai 32

elektron .

Setiap atom menyumbangkan 4 elektron.

Merupakan atom tentravalen.

Mempunyai muatan listrik + 4 dalam satuan muatan listrik elektron.

Setiap elektron valensi dari germanium dimiliki bersama dengan sebuah dari empat atom germanium yang bertetangga dekat.

Mempunyai konduktivitas yang rendah

HOLE Pada temperatur sangat rendah kristal

berperilaku sebagai isolator. Pada temperatur kamar, beberapa dari

ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal dan konduksi dimungkinkan.

Energi Eg yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen : Germanium : 0.72 eV Silikon : 1.1 eV

Ikatan kovalen yang tidak lengkap disebut lubang.

Kristal Germanium dengan satu ikatan kovalen yang patah

Dalam semikonduktor intrinsik (murni) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas.

Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi (rapat) elektron n, sehingga :

disebut konsentrasi atau rapat intrinsik

TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR

A

pabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik)

atom-atom yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk

semikonduktor yang takmurni, yang ekstrinsik.

D

onor-donor•Apabila atom tak murnian mempunyai lima elektron

valensi, maka atom takmurnian akan menggeser beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal.

•Empat dari lima elektron valensi akan mengisi ikatan kovalen dan yang kelima akan terlepas dan dapat digunakan sebagai pembawa arus.

•Energi yang diperlukan untuk melepas elektron adalah :•Ge = 0.1 eV•Si = 0.05 eVContoh : antimurnian (Sb), Fosfor dan Arsenikum• Takmurnian ini memberikan kelebihan elektron sebagai

pembawa muatan negatif, dikenal sebagai donor atau tipe-n.

AkseptorApabila suatu takmurnian trivalen ditambahkan pada

semikonduktor intrinsik hanya tiga ikatan kovalen yang diisi.Kekosongan yang terjada pada ikatan keempat membentuk

lubang.Takmurnian serupa menyediakan pembawa positif oleh

karen takmurnian tersebut menciptakan lubang dan dapat menerima elektron, dikenal sebagai akseptor atau tipe-p.

Hukum Aksi-MassaPenambahan takmurnian tipe-n, mengurangi banyaknya

lubang.Penambahan takmurnian tipe-p, menurunkan rapat

elektron bebas.

“Perkalian dari rapat muatan negatif yang bebas dan muatan yang positif, merupakan suatu tetapan dan tidak bergantung pada banyaknya donor dan akseptor”

Dalam semikonduktor tipe-n, elektron2 disebut pembawa mayoritas sedangkan lubang adalah pembawa minoritas.Dalam semikonduktro tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

RAPAT MUATAN DALAM SEMIKONDUKTOR•Rapat muatan positif = ND + p

•Rapat muatan negatif = NA + n

•Pada semikonduktor netral, besarnya muatan positif sama dengan besar muatan negatif :

ND + p = NA + n

•Pada semikonduktor tipe n, banyaknya elektron lebih besar dari banyaknya lubang (n >> p) sehingga :

nn = ND

•Rapat Lubang dalam semikonduktor tipe-n adalah :

ni 2

pn = ----------

ND

•Untuk semikonduktor tipe-p adalah :

ni 2

np = ----------

NA

SIFAT ELEKTRIK

Sifat Listrik dari Logam dan Semikonduktor :

•Logam :•Bersifat unipolar, menghantar arus hanya dengan muatan-muatan (elektron-elektron) yang menpunyai satu tanda saja.

•Semikonduktor :•Bersifat bipolar, mengandung pembawa-pembawa arus dengan muatan yang berlawanan.

PENENTUAN KONSENTRASI PEMBAWA

D

ari teori tentang Hukum Aksi-Massa maka didapat :“Bahwa dengan memberi takmurnian pada semikonduktor intrinsik tidak

hanya menaikkan konduktivitas, tapi dapat juga digunakan utk menghasilkan semikonduktor dengna pembawa listrik, sebagian terbedar lubang atau sebagian tebesar elektron “

D

alam semikonduktor tipe-n, elektron-elektron disebut pembawa

mayoritas dan lubang adalah pembawa minoritas.

D

alam semikonduktor tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan

elektron pembawa minoritas.

PERSAMAAN ALIRAN ARUS & PERSAMAAN POISSON

Persamaan Aliran arus :

J =

Persamaan Poisson :

=

adalah permitivitas.

 

Terima Kasih

Wassalamu’alaikum Wr. Wb