BAB 1
BAHAN SEMIKONDUKTOR
Tujuan bab
Bab ini adalah penjelasaan dari bahan semikonduktor sebagai cikal bakal komponen
elektronika daya (ELDA). Melalui kuliah inverter ini para mahasiswa diharapkan paham
tentang dasar kompenen ELDA. Kemudian diikuti dengan penjelasan melalui gambar dan
rumus-rumus, berserta beberapa contoh soal. Setelah mempelajari bab ini dan
mengerjakan pelatihannya, diharapkan anda mampu:
Memahami konsep bahan semikonduktor
Pengertian
Konduksi listrik dari bahan semikonduktor tidak lebih tinggi dari bagan metal. Sifat
listrik dari bahan ini adalah sangat sensitive kepada campuran bahan yang tidak murni
dengan sedikit konsentrasi saja. Intrinsic semikonduktor adalah yang mana tingkah-laku
listrik didasarkan kepada struktur inherent pada bahan murni. Bila bahan murni dibuat
menjadi tidak murni maka bahan ini disebut dengan extrinsic semikonduktor.
1.1 Intrinsic Semikonduktor
Intrinsic semikonduktor didasarkan kepada struktur band electron yang ditunjukan oleh
gambar-1d berikut.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 1
Gambar-1: Band Valensi
Bahan semikonduktor pada 0K, band valensi dipisahkan oleh band gap yang sempit (<2
eV) kepada band empty comduction. Dua unsur bahan semikonduktor, yaitu silicon (Si)
dan germanium (Ge) mempunyai energi gap masing-masing 1,1 dan 0,7 eV, yang
ditemukan pada golongan IVA dalam daftor feriodik.
1.2 Konsep Hole
Dalam intrinsic semikonduktor, setiap electron digerakan kepada band konduksi, sebagai
akibatnya terjadi kehiliangan electron pada ikatan kovalennya. Hal ini dapat terjadi bila
bahan diberi medan listrik, seperti yang ditunjukan gambar-2 berikut.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 2
Gambar 1.2 Konsep hole
Dari gambar diatas dapat ditunjukan bahwa, elektran-elektron sebelum diberikan medan
listrik selalu berada pada ikatan kovalennya (gambar 2-a). Setalah diberi existasi (medan
listrik) pada gambar-2b maka satu electron terlepas dari ikatan kovalennya sehingga
menjadi electron bebas. Sedangkan tempat yang ditinggalkannya adalah kosong yang
disebut dengan hole. Pada pemberian medan lanjut (gambar-2c) electron bebas menabrak
ikatan kovalen berikutnya dan electron pada ikatan kovalen itu terlepas menjadi electron
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 3
bebas. Sedangakan hole diisi oleh elektran pada ikatan kovalen lainnya. Dalam hal ini
terlihat bahwa electron bergerak kearah kanan dan hole bergerah kearah kiri.
1.3 Interinsic konduksi.
Dari penjelasan gambar-2 di atas, ada dua type pembawa muatan, yaitu electron dan hole,
didalam intrinsic semikonduktor. Sehingga konduksi listrik akan dipengaruhi oleh kedua
muatan ini, yaitu
1.1
Dimana p adalah jumlah hole percubit meter dan mobilitas hole lebih kecil dari mobilitas
electron. Dalam bahan semikonduktor, electron yang dipromosikan ke band konduksi
melalui gap band yang meninggalkan hole dibelakangnya pada band valensi, sehingga
jumlah elekton bebas sama dengan jumlah hole, yaitu p=n. Jadi persamaan-1 menjadi
1.2
Contoh perhitungan:
Pada intrinsic silicon, konduksi listrik pada temperature kamar adalah 4x10 -4 /Ohm-m;
mobilitas electron dan hole adalah 0,14 dan 0,048 m2/V-sec.
Tentukan konsentrasi hole dan electron pada suhu kamar tersebut?
Jawab:
Dari persamaan 1.2 adalah
1.3.1 Type-n
Gambar berikut adalah bahan semikonduktor murni dicampur dengan bahan yang
bervalensi 5, seperti P.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 4
Si Si Si Si Si
Si Si P+5 Si Si
Si Si Si SiSi
E
Fre elektorn
c) Eksistasi lanjut
Gambar 1.3 bahan type-n dengan pengaruh medang listrik
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 5
Proses pergerakan electron dapat dilihat pada sekema band energi berikut.
Gambar 1.4 Band energi bahan type-n
1.3.2 Type-p
Gambar berikut adalah bahan semikonduktor murni dicampur dengan bahan yang
bervalensi 3, seperti B.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 6
Gambar 1.5 Bahan type-p dengan pengaruh medan listrik
Proses pergerakan hole dapat dilihat pada sekema band energi berikut
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 7
Gambar 1.6 Band energi bahan type-p
Contoh perhitungan:
Phospor ditambahkan dalam selikon murni untuk mendapatkan suatu konsentrasi
1023/m3 pembawa muatan dlam temperature kamar.
a. Tentukan jenis bahan semikonduktor?
b. Hitung konduksi bahan dalam temperature kamar tersebut?
Jawab:
a. Phospor adalah elemen pada golongan VA, jadi phosphor bertindak sebagai donor
atau bahan semikonduktor adalah type-n.
b. Konduksi listrik adalah
1.4 Pengaruh temperature
Konduksi listrik pada bahan semikonduktor akan dipengaruhi oleh temperature,
Untuk intrinsic konduksi perhitungan konduksi yang dipengaruhi oleh temperature
didekati oleh persamaan berikut ini.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 8
1.3
Dimana Eg dan k adalah energi gap dan kontanta Bolzman. Sedangkan T adalah
temperature mutlak (absolute temperature).
Contoh Perhitungan:
Bila dalam temperature kamar = 25 0C = 2980K, konduksi listrik intrinsic germanium
2,2/Ohm-m. Perkirakanlah konduksinya pada temperature 1500C.
Jawab:
Engergi gap germanium adalah 0,67 eV, jadi
1.5 p-n Rectifying junction
Sifat listrik yang unik dari bahan semikonduktor menghasilkan fungsi khusus elektrinik,
seperti dioda dan transistor yang mengantikan fungsi tabung vakum. Keuntungan dari
komponen semikonduktor adalah ukuran yang sangat kecil, rendah konsumsi energi dan
tanpa pemanasan awal.
Rectifier adalah komponen elektronik yang membawa arus dalam satu arah saja.
Komponen ini dibentuk oleh p-n jaction, yang dikenal dengan sebutan populenya sebagai
dioda.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 9
Gambar 1.7 p-n Rectifying junction
Pada gambar b di atas dioda dapat polaritas positif sehingga meletkan arus.
Sedangkan pada gambar c terjadi sebaliknya, kondisi ini akan menimbulkan arus
reverse yang sangat kecil. Phenomena ini dapat dijelaskan melalui gamabar
karakteristik arus-tegangan berikut dari komponen dioda tersebut diatas. Bila
tegangan yang diterapkan pada dioda adalah negative maka arus listrik akan
diblok. Tetapi masih ada arus yang lewat sangat kecil sekali, yaitu arus riverse.
Gambar 1.8 Karakteristik dan bentuk gelombang tegngan dan arus p-n junction
1.6 Latihan
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 10
1. Apa bedanya bahan semikonduktor dengan bahan lainnya.
2. Jelaskan terjadinya hole pada bahan semikonduktor.
3. Apa yang disebut dengan bahan semikonduktor murni dan apa pula yang dimaksud
dengan bahan type-n dan type-p.
4. Pada intrinsic silicon, konduksi listrik pada temperature kamar terdapat kosentrasi
n=7,1x1014 buah/ m3; mobilitas electron dan hole adalah 0,14 dan 0,048 m2/V-sec.
Tentukan koduktansi bahan tersebut?
5. Bila dalam temperature kamar = 25 0C = 2980K, konduksi listrik intrinsic germanium
1,2/Ohm-m. Perkirakanlah konduksinya pada temperature 2000C.
-------------------------------------------------Bahan kuliah ELDA 11