What Is a Semiconductor?
Istilah Definisi
Konduktor Semua bahan, sebagian besar logam, yang
memungkinkan arus listrik mengalir melalui
bahan tersebut
Insulator Semua bahan yang tidak bisa mengalirkan
arus listrik
Semikonduktor Murni silikon atau campurannya, bahan
dasar bagi sebagian besar transistor.
Konduktivitas bahan dapat diubah dengan
mencampur bahan silikon dengan bahan lain
3
Semiconductors
Bahan yang memiliki sifat tidak murni konduktor dan tidak murni insolator
Ia umumnya bersifat insulator pada suhu dekat 00C dan bersifat konduktor pada suhu kamar
Bahan umum semikonduktor Dasar Intrinsik
Si - Silicon (most common)
Ge - Germanium
Compound/gabungan ekstrinsik GaAs - Gallium arsenide
GaP - Gallium phosphide
AlAs - Aluminum arsenide
AlP - Aluminum phosphide
InP - Indium Phosphide
4
Kristal Padat
Pada kristal padat, keteraturan atom terus berulang untuk
semua struktur di dalam kristal
Kristal silikon memiliki struktur latice seperti intan
Unit sel
5
Mengapa Silikon unik?
Murah dan melimpah
Sifat unik: mekanik, kimia dan
elektronik
Bahan umum dikenal oleh manusia
SiO2: pasir, gelas
Si berada pada Gol
IV
Mirip karbon (C) dan
germanium (Ge)
Mempunyai valensi
3s² dan 3p²
6
Hakikat Silikon Intrinsik
Berbahan murni (bebas
dopping) yaitu Si atau Ge
Memiliki elektron valensi 4
dan membentuk ikatan
kovalen dengan 4 atom
tetangganya
7
Konduksi di Dalam Latice Semikonduktor
Semikonduktor (Si dan Ge) memiliki 4 elektron terluar 2 di subkulit S
2 di subkulit P
Jika jarak diantara atom menjadi pendek subkulit menyebar menjadi pita energi
Pada saat jarak terus menerus menjadi pendek, pita saling tumpang-tindih dan kemudian berpisah Model kulit elektron tidak berlaku kembali, elektron dapat
dianggap menjadi bagian dari kristal bukan bagian dari atom
4 elektron yang mungkin berada pada pita energi paling rendah (Pita Valensi)
4 elektron yang mungkin berada pada pita energi tertinggi (Pita Konduksi)
8
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor
Insulators memiliki gap energi tinggi Elektron tidak bisa loncat dari pita valensi ke pita konduksi Tidak ada arus yang mengalir
Conductors (logam) memiliki gap energi kecil (atau
bahkan tidak ada sama sekali) Elektron mudah loncat dari pita valensi ke pita konduksi Arus mudah mengalir
Semiconductors memiliki gap energi pertengahan
(diantara insulator dan konduktor) Hanya beberapa elektron dapat loncat ke pita konduksi
dengan meninggalkan “hole” Hanya sedikit arus yang dapat mengalir
10
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor
Pita
Konduksi
Pita
Valensi
Konduktor Semikonduktor Insulator
11
Muatan Pembawa (Carries) dalam
Semikonduktor
12
Electron dan “hole”
We knew about electron (e), but what is a hole (h)?
Ketika elektron menerima cukup energi untuk loncat dari
pita valensi ke pita konduksi, ia meninggalkan ruang/level
kosong. Kondisi ini menciptakan Pasangan Elektron-Hole
atau Electron-Hole Pair (EHP)
Arus hole disebabkan oleh sebuah elektron yang bergerak
berlawanan arah pada pita valensi
Arus elektron adalah elektron yang bergerak dari tingkat
ke tingkat pada pita konduksi
Pasangan Elektron-Hole
Terkadang energi panas (termal) mampu menyebabkan elektron loncat dari pita valensi ke pita konduksi Menghasilkan electron-
hole pair (EHP)
Elektron juga “jatuh” kembali keluar dari pita konduksi menuju pita valensi, bergabung dengan hole
pair
elimination
hole electron
pair
creation
Pita
Konduksi
Pita Valensi
13
Charge carriers in semiconductors
14
Effective mass
Electrons in a crystal are not totally free.
The periodic crystal affects how electrons move through the
lattice.
We use and effective mass to modify the mass of an electron in
the crystal and then use the E+M equations that describe free
electrons.
Muatan Pembawa (Carries) dalam
Semikonduktor: Massa Efektif
15
Effective mass/Massa Efektif
k
E
2
2
2
2
2
2
22
2
*
22
1
dk
Edm
mdk
Ed
km
mvE
kmvp
Turunan kedua dari E adalah konstan/tetap
Tidak semua semikonduktor memiliki struktur pita parabolik sempurna
Charge carrieMuatan Pembawa (Carries)
dalam Semikonduktor: Massa Efektif
16
Massa Efektif
Ge Si GaAs
mn* 0.55 m0 1.1 m0 0.067 m0
mp* 0.37 m0 .56 m0 0.48 m0
Bahan Intrinsik
17
Kristal semikonduktor sempurna
Tidak ada dopping dari unsur lain
Tidak ada muatan pembawa pada 0oK
Pita valensi terisi penuh, pita konduksi kosong
Energi panas/termal: getaran latice dapat memutus ikatan
kovalen dan mendorong elektron masuk ke pita konduksi
Pergerakan elektron ini tetap pada beberapa latice
mengikuti kaidah distribusi Mekanika Kuantum
inpn
Konsentrasi pita konduksi (elektron/cm3)
Konsentrasi pita valensi (hole/cm3)
Bahan Ekstrinsik
18
Bahan intrinsik jarang dimanfaatkan, kecuali untuk piranti yang konduktivitasnya berubah berdasarkan perubahan optik atau termal.
Salah satu cara adalah dengan menciptakan bahan ekstrinsik yaitu dengan mengganti atom semikonduktor pada latice dengan atom dari Gol yang berbeda (pada tabel periodik unsur)
II III IV V VI
B C
Al Si P S
Zn Ga Ge As Se
Cd In Sb Te
Bahan Ekstrinsik
Intrinsik (Murni) Silikon
Pada 0oKelvin kerapatan
partikel 5 x 10²³ partikel/cm³
Silikon memiliki 4
elektron valensi
Temperatur lebih tinggi
menghasilkan muatan perbawa
lebih tinggi.
“hole” ada karena ketidakhadiran
elektron.
Pada 23oC terdapat 10¹º
partikel/cm³ partikel pembawa
bebas
19
DOPING
Tipe N N untuk negatif
Atom Gol V dimasukkan
Ada tambahan elektron
valensi yang bebas bergerak di
latice
2 jenis doping yaitu:
Tipe-N dan Tipe-P
Tipe P P untuk Positif.
Atom Gol III dimasukkan
Ada tambahan hole,
elektron dari sekitar silikon
bergerak untuk mengisi hole.
20
Gap Pita
Diantara pita konduksi dan valensi adalah wilayah tingkat
energi terlarang, dimana elektron tidak boleh berada di
wilayah ini.
Wilayah ini disebut Gap pita
Silikon pada suhu ruangan [in electron volts]:
Dimana:
EG
E eVG 11.
1eV 1.602 10 joule19
22
A LITTLE MATH
n= jumlah elektron bebas
p= jumlah hole
ni= jumlah elektron dalam silikon intrinsik =10¹º/cm³
pi- jumlah hole dalam silikon intrinsik = 10¹º/cm³
Muatan negatif bergerak = -1.6*10-19 Coulombs
Muatan positif bergerak = 1.6*10-19 Coulombs
Ketesetimbangan termal (tidak ada tegangan yang terukur)
n*p=(ni)2 (pendekatan suhu ruangan)
Bahan disebut tipe-N jika memiliki 10¹º elektron bebas atau
lebih (demikian pula untuk tipe-P)
23
Top Related