Semikonduktor

Konduktivitas dan semikonduktor

•Konduktivitas: adalah kemampuan suatu bahan dalam menghantarkan arus listrik

Konduktor

• Konduktor: bahan yang memiliki konduktivitas yang sangat tinggi

Konduktor diberi beda tegangan

• insulator: bahan yang memiliki konduktivitas yang sangat rendah

Insulator

Semikonduktor

• Semikonduktor: bahan yang memiliki konduktivitas di antara konduktor dan insulator.

• Sebagai contoh, sebuah atom Si memiliki 4 elektron dalam kulit terluarnya. Pada suhu rendah (mendekati 0K) masing-masing elektron membentuk ikatan kovalen dengan 4 atom Si lainnya. Pita valensi terisi penuh dan pita konduksi dalam keadaan kosong, sehingga bahan semikonduktor bersifat seperti insulator.

• Konduktivitas semikonduktor bergantung pada keadaannya

• Ketika suhu semikonduktor naik, maka elektron-elektronnya memperoleh tambahan energi. Beberapa elektron dapat memperoleh tambahan energi yang cukup untuk memutus ikatannya, sehingga dapat bergerak bebas ke seluruh bagian bahan tersebut

• Bila sebuah elektron lepas dari ikatannya maka akan meninggalkan sebuah hole di dalam ikatan tersebut.

• Hole ini bermuatan positif, sehingga dapat menarik elektron yang ada di dekatnya. Elektron yang ditarik oleh hole kemudian bergerak meninggalkan ikatannya

• Bila elektron bergerak dalam satu arah maka hole bergerak dalam arah lainnya.

Animasi

• Jadi, konduksi dalam semikonduktor disebabkan oleh aliran elektron (bermuatan negatip) dan hole (bermuatan positip)

• Hal ini berbeda dengan konduksi dalam logam, yang disebabkan oleh hanya gerakan elektron saja.

Semikonduktor Intrinsik• Bila konduksi dalam semikonduktor

disebabkan oleh gerakan sejumlah elektron dari – ke + dan gerakan hole dengan jumlah yang sama dari + ke -, maka keadaan seperti ini disebut konduksi intrinsik

• Pada suhu ruang, dalam bahan Si intrinsik terdapat 1 elektron bebas untuk setiap 1012 atom Si (1 elektron bebas untuk setiap 109 atom Ge)

• Resistansi semikonduktor intrinsik sangat tinggi, walaupun pada suhu ruang.

Cara menaikkan konduksi dalam semikonduktor

1. Menaikkan suhu• Kenaikan suhu akan menaikkan

jumlah elektron yang mempunyai cukup energi untuk memutuskan ikatan, sehingga meningkatkan konduksinya

• Thermistor adalah divais yang resistansinya berubah dengan cepat bila temperaturnya berubah.

2. Menyinari semikonduktor dengan cahaya• Ketika cahaya menyinari

semikonduktor (misalnya cadmium sulphide), maka akan memberikan cukup energi untuk membebaskan elektron dari ikatannya sehingga meningkatkan konduksinya

• Semikonduktor seperti ini disebut LDR (Light Depend Resistor)

Resistansi LDR berubah dari beberapa MΩ dalam gelap, ke 100 Ω dalam cahaya siang hari – digunakan dalam rangkaian lampu jalan otomatis

3. Menambahkan sedikit impuritas (impurity=ketidak murnian ) ke bahan semikonduktor dapat juga mempengaruhi konduksinya. Proses ini disebut doping, dan atom impuritas-nya disebut dopants.

Semikonduktor yang ditambahi atom impuritas disebut semikonduktor ekstrinsik.

Pada Si yang memiliki 1 elektron bebas untuk setiap 1012 atom Si, jika dosis dalam doping ini 1 dopant dalam 107 atom murni, maka perbandingan 1012/107 = 105 menunjukkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan dengan rasio 100.000 : 1

Semikonduktor Ekstrinsik

Acceptor Impurities• Si dan Ge memiliki 4

elektron valensi, acceptor impurities memiliki 3 elektron valensi

• Bila sejumlah kecil atom acceptor impurities misalnya B (boron) disisipkan ke dalam kisi-kisi Si, maka pada setiap lokasi di mana terdapat atom B dalam ikatan akan terdapat kekurangan satu elektron, dengan kata lain terdapat sebuah hole positip.

• Hal ini berarti bahwa sebelum suhu dinaikkan, sudah terdapat hole yang bermuatan positip

• Jika suatu beda potensial diberikan melintasi bahan tersebut maka akan terjadi konduksi arus listrik.

• Jadi, dalam semikonduktor yang di-doping dengan acceptor impurities, terdapat lebih banyak hole dibanding elektron

• Karena hole bermuatan positip merupakan pembawa muatan mayoritas, maka sistem ini disebut sebagai semikonduktor tipe-p

Donor Impurities• Bila bahan

semikonduktor di-doping dengan donor impurities, misalnya P (phosphorus) yang memiliki 5 elektron valensi, maka disetiap lokasi dimana terdapat atom P dalam ikatan, akan terdapat kelebihan satu elektron.

• Jadi, semikonduktor tersebut memiliki lebih banyak elektron dibanding hole

• Karena elektron merupakan pembawa muatan mayoritas, maka sistem ini disebut sebagai semikonduktor tipe-n.

P-N Junction• Jika sepotong semikonduktor tipe-p

dan tipe-n disambungkan, maka beberapa elektron dari tipe-n bergerak menyeberangi sambungan menuju ke tipe-p dan beberapa hole dari tipe-p bergerak menyeberangi sambungan menuju ke tipe-n

• Peristiwa perpindahan muatan ini disebut difusi.

• Elektron yang berdifusi dari tipe-n ke tipe-p meninggalkan sejumlah ND ion donor bermuatan positip di tipe-n, dan berekombinasi dengan hole di tipe-p menyisakan muatan negatip di tipe-p

• Hole yang berdifusi dari tipe-p ke tipe-n meninggalkan sejumlah NA ion akseptor bermuatan negatip di tipe-p, dan berekombinasi dengan elektron di tipe-n menyisakan muatan positip di tipe-n

• Jadi terdapat beda potensial melintasi bahan tersebut, yang melawan difusi elektron dan hole.

Potential barrier• Dalam keadaan setimbang, nilai beda

potensial sambungan (potential barrier):

dengan:VT = tegangan termal = 26mV pada suhu ruangND dan NA = konsentrasi impuritas

ni = konsentrasi intrinsik.

Lapisan pengosongan (Depletion layer)• Pada daerah sambungan tidak

terdapat elektron bebas dan tidak ada hole

• Jadi dalam daerah ini tidak terdapat pembawa muatan bebas, sehingga tidak bisa terjadi konduksi. Lapisan insulator ini disebut lapisan pengosongan (depletion layer).

Lebar lapisan pengosongan• Jika lapisan

pengosongan mempunyai lebar D, maka di sisi tipe-p mempunyai lebar Dp dan Dn di sisi tipe-n

• Dalam keadaan setimbang:  Dp.NA = Dn.ND  

pn-junction

• Simbol

Depletion layer forms an insulator between the 2 sides

P type

N type

Pn-junction diberi bias mundur (reverse bias)

• Jika terminal + batere dihubungkan ke tipe-n dan terminal negatip ke tipe-p, maka elektron bebas dan hole bebas tertarik ke batere, sehingga lapisan pengosongan menjadi melebar. Jadi sambungan-pn di-bias mundur tidak mengalirkan arus, kecuali arus saturasi balik Is yang disebabkan oleh aliran pembawa muatan minoritas.

pn-junction diberi bias maju (forward biased)

• Jika terminal + batere dihubungkan ke tipe-p dan terminal negatip ke tipe-n, maka elektron bebas dan hole didorong oleh batere melintasi sambungan. Bila tegangan batere lebih besar dibanding tegangan sambungan, maka lapisan pengosongan menjadi tembus dan terjadi konduksi.

Karakteristik dioda• Arus diode:

dengan:Is=arus saturasi

balikK=11.600/=1 untuk Ge, =2

untuk Si, pada arus diode yang relatif kecil. Pada arus yang relatif besar =1 untuk Ge maupun Si.

TK=TC+273

Aplikasi

• Diode• Transistor• Thyristor• IC (Integrated Circuit). Berisi dioda,

transistor, kapasitor dan resistor; semuanya dibuat pada satu potongan silikon

• dll.