Tugas Kelompok Ilmu Bahan
“BAHAN SEMIKONDUKTOR”
DI SUSUN OLEH :
KELOMPOK 2
1. KHAIRUNNISA PATSAL 321 11 031
2. KIKI RESKI ANDRIANI 321 11 032
3. MUHAMMAD ARSIL 321 11 033
4. MUHAMMAD SYIFAAI 321 11 034
IB TEKNIK LISTRIK
PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG
MAKASSAR 2012
BAB I
PENDAHULUAN
Bahan semikonduktor ( setengah penghantar ) adalah bahan selain penghantar dan penyekat
yang pada temperatur mutlak yaitu pada 0 K. Dalam keadaan murninya mempunyai sifat
sebagai penyekat ; sedangkan pada temperatur kamar ( 27 ˚ C ) dapat berubah sifatnya
menjadi bahan penghantar. Bahan yang dapat berubah sifat kelistrikannya apabila
temperatunya berubah-ubah. Istilah semikonduktor dipergunakan untuk zat dengan tahanan
jenis dalam selang harga antara 10-5 sampai 105 ohm-meter.
Penggolongan zat menurut tahanan jenis disertakan dalam tabel:
Kategori Tahanan jenis Ohm-meter
Isolator 105 - 1017
Semikonduktor 10-5 - 105
Logam dan semi-logam 10-8 – 10-5
Setelah piranti elektronik dasar terbuat dari kristal semikonduktor yang dikenal sebagai
transistor yang dibuat oleh Bardeen dkk (1954), minat ilmuwan untuk mempelajari sifat
semikonduksi bahan padat meningkat tajam.
BAB II
TEORI
1. Pengertian Umum
Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor
murni. Bahan - bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang
baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat
bergerak bebas.
Sebuah atom tembaga (Cu) memiliki inti 29 ion positif (+) dikelilingi oleh 29 elektron
(-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut
nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-
elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.
Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan
elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya
tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah
terlepas dari ikatannya.
2. Tabel periodic semikonduktor
3. Bahan pembentuk semikonduktor
Bahan pembentuk semikonduktor yaitu :
- Germanium
Konduktivitas tinggi
Digunakan untuk dioda dan transistor
daya rendah dan sedang
- Silikon
Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect
bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita
valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi
eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada
nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan
momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada
semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini
menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik.
Ciri-ciri silicon :
Konduktivitas lebih rendah dari Germanium
Digunakan untuk dioda dan transistor daya tinggi
Ketahanan termal lebih tinggi daripada Germanium
- Galium Arsenide
GaAs adalah material semikonduktor dengan struktur pita energy langsung (direct
bandgap), dimana, nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita
valensi bertemu pada satu harga momentum yang sama. Pada material ini electron
bebas pada minimum pita konduksi dapat melakukan rekombinasi denganhole di
maksimum pita valensi, karena momentum dari kedua “partikel” sama, maka, foton
dapat diemisikan sebagai konsekuensi dari hokum konservasi energy. Memiliki sifat-
sifat yang dapat diatur mengikuti sifat Germanium dan Silikon
4. Struktur Kristal dan Muasal Sifat Semikonduksi pada Germanium dan Silikon
Germanium (Ge) dan Silikon (Si) berstruktur intan. Tetangga terdekat setiap atom
berjumlah empat buah (bilangan koordinat: 4). Ditunjukkan dalam sketsa di bawah.
Ikatan kovalen antara atomnya membentuk kristal Ge dan Si. Setiap atom saling
berbagi & menerima 4 elektron kulit terluarnya dengan 4 tetangga yang terdekat.
Bilamana suhu kristal ditingkatkan maka akan naik pula kebolehjadian terlepasnya
elektron ikatan. Artinya konsentrasi elektron bebas naik. Hal ini menerangkan
mengapa tahanan jenis menurun apabila suhu kristal dinaikkan.
Dalam diagram energi, ionisasi elektron ikatan dipresentasikan dengan perpindahan
satu elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Tempat kosong yang ditinggalkan di
pita valensi merupakan suatu hole.
Dalam proses de-ionisasi elektron bebas, elektron bergabung kembali dengan hole di
pita valensi. Energi sebesar 1,8 eV hilang diserap kristal. Karena proses itu, satu
elektron bebas di pita konduksi dan satu hole di pita valensi sirna.
5. Resistivitas bahan semikonduktor
6. Ikatan atom tembaga
Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan
energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak,
semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1
dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya
memiliki 4 elektron valensi.
7. Ciri fisik utama bahan semikonduktor dan pengukuran untuk mengetahui sifat
dasar bahan semikonduktor
Ciri fisik utama bahan semikonduktor, antara lain :
- Selang harga tahanan jenis 10-5 – 105 ohm-meter
- Tahanan jenis menurun dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 1; sedang tahanan
jenis logam meningkat dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 2.
- Tahanan jenis semikonduktor sangat dipengaruhi oleh ketidakmurnian kimiawi di
dalamnya, cahaya yang menyinarinya, medan listrik, dan medan induksi magnetik.
- Pengukuran koefisien Hall dan tahanan jenis memberikan pembawa muatan yang
berpolaritas negatif (elektron) dan positif.
Pengukuran untuk mengetahui sifat dasar bahan semikonduktor, menyangkut :
Tahanan jenis (atau konduktivitas listrik σ)
Konsentrasi, polaritas, dan mobilitas pembawa muatan listrik, (melalui pengukuran
koefisien Hall dan hasil pengukuran konduksi).
Penentuan jurang energi.
8. Jenis – jenis semikonduktor
Berdasarkan tingkat kemurnian ;
Intrinsik : semikonduktor murni yang tidak diberi doping
Ekstrensik : semikonduktor murni yang diberi doping
Semikonduktor intrinsic dan ekstrinsik
Teknologi dan penelitian ilmiah semikonduktor mempersyaratkan bahan yang sangat
murni. Bahan baku harus memiliki kemurnian 99,99% yang kemudian harus diproses
lebih lanjut menjadi sekurang-kurangnya 10 kali lebih murni.
Bahan semikonduktor bersifat intrinsik bilamana konduktivitasnya tidak ditentukan
oleh konsentrasi ketidakmurnian kimiawi dalam kristal.
Semikonduktor bersifat ekstrinsik bilamana konduktivitas bahan ditentukan oleh
ketidakmurnian kimiawi dalam kristal.
Bahan semikonduktor yang sama dapat bersifat ekstrinsik pada suhu rendah, namun
bersifat intrinsik pada suhu yang lebih tinggi.
Konduktivitas dipengaruhi suhu kristal
Semikondukor yang Dibubuhi Atom Donor atau Atom Aseptor
Bila unsur As (gol.V) dibubuhkan pada kristal silikon yang murni dengan berikatan
seacara kovalen, satu elektron terionisasi menjadi elektron bebas. Karena
menyumbang elektron apabila terionisasi, maka dinamakan donor.
Pada suhu yang lebih tinggi, akan lebih banyak elektron di pita valensi akan
tereksitasi ke pita konduksi.
Kontribusi elektron oleh atom donor terhadap konduktivitas dapat diabaikan terhadap
kontribusi dari hasil perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi.
Pada suhu yang relatif lebih tinggi, bahan yang dibubuhi atom donor merupakan
bahan semikonduktor intrinsik.
Pada suhu yang agak tinggi (1/T berharga rendah) bahan semikonduktor bersifat
intrinsik; pada suhu yang agak lebih rendah (1/T berharga agak lebih rendah)
semikonduktor bersifat ekstrinsik.
Pembubuhan unsur B pada silikon menyumbang hole pada kristal Si, atom B
dinamakan atom aseptor, dan kristalnya merupakan semikonduktor tipe p, karena
menyumbang pembawa muatan berpolaritas positif.
Presentasi peredaran hole mengelilingi ion B- dan kedudukan ‘acceptor state’ dalam
diagram pita energi ditampilkan dalam 2 sketsa di bawah
Doping
Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam
jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik.
Semikonduktor Intrinsik
Pada semikonduktor murni atau intrinsik, perpindahan muatan berarti terjadinya
pengaliran arus. Perpindahan muatan terjadi karena dua sebab yaitu : karena adanya
perpindahan elektron bebas dan karena adanya perpindahan hole (lubang), kedua-duanya bisa
terjadi bersama-sama. Dalam semikonduktor jenis ini banyaknya elektron bebas sama dengan
banyaknya hole yang terjadi.
Atom semikonduktor murni pada suhu nol mutlak (-2730 C atau 0 Kelvin), bersifat sama
dengan isolator, tetapi apabila suhu menjadi naik, semikonduktor dapat mengalir arus,
walaupun sangat kecil sekali
Ciri-ciri semikonduktor intrinsic :
Semikonduktor yang belum mengalami penyisipan oleh atom akseptor atau atom
donor
Pada suhu tinggi elektron valensi dapat berpindah menju pita konduksi, dengan
menciptakan hole pada pita valensi
Pengahantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole
Semikonduktor ekstrinsik
Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik, yaitu jenis p dan jenis n.
Semikonduktor jenis p adalah semikonduktor yang terdiri dari campuran atom-atom yang
tidak memiliki elektron bebas dan bersifat menerima elektron. Misalnya unsur Ge bercampur
dengan gallium (Ga). Pada semikonduktor jenis p , lubang (hole) bertindak sebagai muatan
positif , oleh karena itu komponen ini sering disebut sebagai pembawa muatan minoritas.
1. Tipe N
Bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal
dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni
ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron
membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap
melepaskan elektron.
Doping atom pentavalen
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat
semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan
trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion
silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini
digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan
elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.
Doping atom trivalen
Pengotoran oleh atom pentavalent yaitu, bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron
valensi.
Contoh ; P , As
Atom pengotor disebut atom donor
Pembawa muatan disebut elektron
2. Tipe P
Pengotoran oleh atom trivalent yaitu, bahan kristal dengan inti atom memiliki 3 elektron
valensi.
Contoh ; B, Ga
Atom pengotornya disebut atom akseptor
Pembawa muatan disebut hole
3. PN JUNCTION
Jika semikonductor disambungkan, maka elektron akan berdifusi menuju daerah tipe-
p, dan sebaliknya hole akan berdifuso menuju daerah tipe-n, sehingga terbentuk
daerah persambungan.
Pada daerah persambungan ini terbebas dari muatan mayoritas, tetapi terjadi dipole
muatan sehingga timbul medan listrik dan terjadi potensial halang.
Tidak semua atom dapat digunakan sebagai atom akseptor atau atom donor, ada
beberapa persyaratan :
1. Ukuran atom yang hampir sama dengan atom murni
2. Memiliki jumlah elektron valensi berbeda satu dengan atom murni
9. Sifat bahan semikonduktor
10. Komponen menggunakan semikonduktor
Dioda
Transistor
Sel Surya
komponen elektronika berbahan dasar semikonduktor
Sel surya polycristal
Sel surya monocrystal
11. Aplikasi
Detektor Kualitas Daging
Pada umumnya daging diawetkan dengan cara dibekukan. Sebenarnya ada suhu
optimum yang dibutuhkan agar daging bisa bertahan lama. Sensor dari semikonduktor
mendeteksi gas ethil-asetat yang muncul ketika daging mulai membusuk. Sensor dibuat dari
bahan semikonduktor padatan SnO2-La2O3 dengan metoda lapisan tebal pada substrat
alumina. Gas Ethil Asetat akan bereaksi dengan La203 yang membentuk lapisan deplesi
IC
Merupakan aplikasi yang paling banyak dalam pemanfaatan semikonduktor.
Dalam sebuah IC terdapat beberapa jenis semikonduktor baik berupa transistor maupun
dioda. Penggabungan semikonduktor jenis p dan jenis n pada komponen elektronika
diantaranya adalah dioda, dan transistor
Dioda Transistor
Top Related