1

MAKALAH

SEMIKONDUKTOR

Disusun Oleh :

ANDRI FERDIANSYAH ( 1004405112)

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik

Universitas Udayana

2014

2

DAFTAR ISISEMIKONDUKTOR

PENDAHULUAN………………………………………………………….. 3

A. Struktur Kristal dan Pita Energi

1. Struktur Kristal dan Struktur Pita Energi………………………… 5

1.1 Struktur Kristal ………………………………………………. 5

1.2 Struktur Pita Energi …………………………………………... 6

2. Semikonduktor Intrinsik …………………………………………. 8

3. Ketakmurnian …………………………………………………… . 10

3.1 Keadaan Ketakmurnian ……………………………………... 10

3.2 Keadaan Penerima ................................................................ 12

B. Daya Hantar Listrik …………………………………………………. 13

1. Statistika Semikonduktor ………………………………………… 13

2. Semikonduksi Ekstrinsik ………………………………………... 15

3. Mobilitas Elektron ………………………………………………. 16

4. Pengaruh Suhu, Hamburan, Dan Ketakmurnian ………………. 23

C. Dasar Pembentukan Dioda................................................................. 26

1. Sifat Dasar Dioda........................................................................ 26

2. Contoh Penggunaan Dioda.......................................................... 27

3. Harga Batas Dioda ...................................................................... 27

4. Sifat Listrik Dioda ...................................................................... 28

5. Dioda Sebagai Penyearah Gelombang ........................................ 31

3

SEMIKONDUKTOR

PENDAHULUAN

Gambar 1. Kurva konsentrasi elektron konduksi pada berbagai bahan

Gambar 1. Memberikan kita gambaran mengenai logam, semilogam, dan

semikonduktor. Semikonduktor diklasifikasikan pada resistivitas listrik pada suhu

kamar, dengan nilai yang berada pada rentang 10-2 hingga 109 ohmcm, dan sangat

bergantung pada suhu disekitarnya. Pada suhu 0 absolute (0 kelvin), kristal

sempurna dari kebanyakan semikonduktor akan berubah menjadi insulator, jika

kita menganggap bahwa insulator memiliki resistivitas listrik sekitar 1014 ohm-cm.

4

Jenis semikonduktor yang biasa dikenal meliputi transistor, diode,

detector, dan thermistor. Komponen-komponen ini biasa digunakan sebagai

elemen sirkuit tunggal atau sebagai komponen dari sirkuit terintegrasi.

Semikonduktor murni biasa berperilaku sebagai konduktor instrinsik.

Sebuah pita elektron menggambarkan konduktivitas intrinsic yang tergambar pada

gambar 2. Pita konduksi ini terjadi saat suhu nol absolute dan dipisahkan oleh gap

energi eg dari pita valensi yang terisi.

Gap pita merupakan perbedaan energi antara titik terendah dalam pita

konduksi yang disebut celah pita konduksi edge, dan titik tertinggi dalam pita

valensi disebut pita valensi edge.

Ketika suhu meningkat, elektron tereksitasi dari pita valensi menuju pita

konduksi (gambar 3.). Kedua elektron kini berada dalam pita konduksi, dan

orbital vacant atau lubang di dalam pita valensi menyebabkan terjadinya konduksi

listrik.

5

Pada makalah ini akan dibahas mengenai semikonduktor beserta

perangkat-perangkat lainnya meliputi struktur kristal dan struktur pita energi,

semikonduktor intrinsic, ketakmurnian, daya hantar listrik, statistika

semikonduktor, semikonduksi ekstrinsik, mobilitas electron dan pengaruh suhu,

hamburan, dan ketakmurnian.

Kita telah mengawali pembahasan mengenai semikonduktor secara umum.

Kini mari kita bahas hubungan antara semikonduktor dengan struktur kristal.

A. STRUKTUR KRISTAL DAN PITA ENERGI

1. STRUKTUR KRISTAL DAN STRUKTUR PITA ENERGI

1.1. STRUKTUR KRISTAL

Semikonduktor erat hubungannya dengan pembahasan mengenai zat padat.

Zat padat merupakan bahan yang tersusun atas atom-atom, ion-ion, atau molekul-

molekul yang letaknya berdekatan dan tersusun teratur membentuk suatu struktur

tertentu (struktur kristal). Konduktor, insulator, semikonduktor, maupun

superkonduktor merupakan sifat-sifat dari suatu zat padat tertentu. Perbedaan sifat

pada zat padat ini disebabkan oleh perbedaan gaya ikat diantara atom-atom, ion-

ion, atau molekul-molekul tersebut. Semua ikatan dalam bahan padat melibatkan

gaya listrik, dan perbedaan utama diantara ikatan tersebut tergantung pada jumlah

elektron valensinya.

Berdasarkan struktur partikel (atom, ion, atau molekul) penyusunnya, zat

padat dibagi menjadi dua jenis yaitu zat padat kristal dan zat padat amorf. Zat

padat kristal adalah zat padat yang memiliki keteraturan panjang dan berulang

secara periodik pada struktur partikelnya. Zat padat amorf adalah zat padat yang

struktur partikel penyusunnya memiliki keteraturan yang pendek, hampir dapat

disebut tak teratur. Bahan semikonduktor yang biasa digunakan meliputi silikon,

germanium, galium arsenida, dan lain-lain.

6

Tabel 1. Bahan Semikonduktor

Kristal berperilaku sebagai isolator jika pita energi yang dibolehkan itu

dalam keadaan terisi atau kosong, untuk kemudian tidak ada elektron yang

bergerak dalam medan listrik. Kristal berperilaku sebagai logam jika satu atau

lebih pita energi terisi sebagian, antara 10% - 90% terisi. Kristal menjadi

semikonduktor atau semilogam jika satu atau dua pita energi hanya terisi sangat

sedikit elektron, atau sangat sedikit kosongnya.

1.2. STRUKTUR PITA ENERGI

Pada semikonduktor pita energi yang tinggi pada T = 0 K dimana pada

pita valensinya terisi penuh oleh elektron dan pita konduksinya kosong. Kedua

pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7

eV. Struktur pita sederhana dari semikonduktor ditunjukkan pada gambar dibawah

ini :

7

Gambar Struktur Pita Sederhana dari Semikonduktor

Saat elektron berada

dicelah antara pita

konduksi dan pita

valensi, bagian bawah

pita konduksi akan

diisi oleh elektron,

sedangkan bagian pita

valensinya akan berlubang. Hal ini menyebbakan, kedua pita hanya terisi

sebagian penuh, dan akan mengalirkan arus apabila dikenakan medan listrik.

Besarnya energi celah atau energi gap (Eg) merupakan selisih antara energi

terendah pada pita konduksi (Ek) dengan energi tertinggi pada pita valensi (Ev).

Secara matematis dapat dituliskan :

8

Gambar Energi celah

Pada penyerapan langsung, elektorn mengabsorpsi foton dan langsung

meloncat ke dalam pita konduksi. Besarnya celah energi (Eg) sama dengan

besarnya energi foton (gelombang elektromagnetik). Secara matematis :

dimana g merupakan frekuensi anguler dari foton.

Pada Penyerapan tidak langsung elektron mengabsorpsi foton sekaligua

fonon. Proses ini memenuhi hukum kekekalan energi. Sehingga selain energi

foton (partikel dalam gelombang elektromagnetik) terdapat juga fonon (partikel

dalam gelombang elastik) yang dipancarkan maupun diserap. Secara matematis :

tanda ± menunjukkan bahwa dalam proses penyerapan tidak langsung ini

keberadaan fonon ada yang dipancarkan (+) atau diserap (-).

2. SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu

unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si

yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya.

9

Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus.

Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini

disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si

yang berdekatan.

Menurut teori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi

penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan

oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si

dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV.

Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron

dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyebrangi celah

energi. Elektron valensi pada atom Ge lebih mudah tereksitasi menjadi elektron

bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar

dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan

tempat kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi

dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole.

10

3. KETAKMURNIAN

3.1. Keadaan Ketakmurnian

Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis

lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor murni memiliki

jumlah pembawa, elektron dan hole yang sama. Akan tetapi, pada banyak aplikasi

dibutuhkan hanya satu spesifikasi seperti hanya jenis pembawanya saja atau tak

satupun dari yang lain. Dengan doping semikonduktor dengan pendekatan

ketidakmurnian merupakan salah satu cara untuk untuk emmperoleh elektron saja

atau hole saja.

Penambahan dari 1 atom boron ke 105 silikon dapat meningkatkan

konduktivitas silicon murni oleh factor 103 saat suhu kamar.Proses penambahan

atom pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran (doping). Dengan

menambahkan atom pengotor (impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan

berubah.Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron

maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat

menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung

pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian.

Sebagai contoh, Si yang didoping oleh As. Atom As mengisi beberapa

bentuk tempat kisi dengan Si sebagai atom tuan rumah. Distribusi dari ketak

murnian ini bersifat acak diluar kisi. Tetapi efek kehadiran dalam zat padat yang

paling penting : Atom As adalah pentavalen (sedangakn Si adalah Tetravalen).

Dari kelima elektron atom As, empat berpartisipasi didalam ikatan tetrahedral dari

Si. Elektron kelima tidak dapat memasuki ikatan karena sekarang sudah jenuh

sehingga elektron dari ketakmurnian dan menjadi bebas untuk bergerak melalui

Kristal sebagai elektron konduksi. Ketakmurniaan yang sekarang sebuah ion

positif, As+ (sejak kehilangan satu elektron) sehingga memungkinkan untuk

menagkap elektron yang bebas, tetapi harus diperhatikan bahwa gaya interaksi

sangat lemah dan tidak cukukp untuk menangkap elektron diberbagai keadaan.

Hasil akhir menunjukkan bahwa pengotor As menyumbang elektron untuk

pita konduksi dari semikonduktor dan untuk alasan inilah pengotor disebut donor.

Catatan bahwa elekton dibuat tanpa menciptakan hole.

11

Ketika elekton ditangkap oleh donor ion, kondisi orbit disekeliling donor

seperti pada atom hydrogen. Kita dapat menghitung energi binding dengan

menggunakan model Bohr. Bagaimana un kita harus memasukkan fakta bahwa

interaksi coloumb diseini telemahkan oleh kehadiran penyaringan Kristal

semikonduktor, yang menyediakan seperti medium didalam donor dan ion residu.

Sehingga potensial coloumb diberikan

Pada potensial coulumb elektron berpindah dari ion pengotor, di

mana adalah tetapan dielektrik. Faktor mengambil nilai dari reduksi di

dalam gaya coulumb antar muatan.teori atam hidrogen bohr diubah untuk

mendapatkan nilai konstanta dielektrik dan massa efektif dari elektron.energi

ionisasi atom hidrogen adlah dalam CGS dan dalam

SI.

Ketika menggunakan potensial pada model Bohr untuk menemukan

energy binding, berdasarkan keadaan dasar dari donor, menjadi

Catatan bahwa masa efektif me, lebih sering disunakan dari pada masa

bebas mo. Factor terakhir pada sisi kanan adalah binding energy dari atom

hydrogen, dengan nilai 13,6 Ev. Energi binding dari donor direduksi oleh factor

1/єr2 dan factor massa me/mo, biasanya lebih kecil dari kesatuannya. Jika kita

menggunakan tipe nilai єr≈10 dan me/mo ≈0,2, dapat dilihat bahwa energy

binding dari donor sekitar 1/500th sama banyak dengan energy hydrogen, sekitar

0,01 Ev. Ini merupakan orde nilai pengobservasi.

Tingkatan donor terletak pada energy pengosongan, sangan kecildibawah

pita konduksi. Karena tingkatannya sangat dekat dengan pita konduksi. Hampir

semua donor terionisasi pada temperatur ruang, elektron tereksitasi ke pita

konduksi.

12

Untuk jari-jari Bohr dari donor elektron.

Dimana ao adalah jari-jari Bohr, setara dengan 0,53Å. Jari-jari orbit lebih besar

dari ao.

3.2. Keadaan Penerima

Pilihan yang tepat dari ketidakmurnian dapat memproduksi hole terdiri

dari elektron. Berdasarkan bahwa Kristal Si didoping dengan atom pengotor Ga.

Pengotor sisa Ga pada posisi sebelumnya ditempati oleh atom Si. Tetapi sejak Ga

adalah trivalent, satu dari ikatan elektron menjadi lowong. Lowongan ini

mungkin diisi oleh elektron yang berpindah dari ikatan yang lain, hasilnya pada

lowongan pada ikatan yang sekarang. Hole ini kemudian bebas untuk berpindah

melalui Kristal. Kebiasaan ini oleh pengenalan dalam jumlah banyak dari

pengotor trivalent, satu menciptakan konsentrasi dari hole.

Ketidakmurnian trivalent disebut sebagai akseptor(penerima), karena

menerima sebuah elektron untuk melengkapi ikatan tetrahedral.

Penerima adalah muatan negative, dengan penambahan elektron maya

sehingga menjadi ridak terbungkus. Selama hasil hole adalah muatan positif,

muatan tersebut ditarik oleh penerima. Kita dapat mengevaluasi energy binding

dari hole pada penerima pada sifat yang sama mengikuti diatas dalam kasus

donor. Sekali lagi energy ini sangat kecil, berorde 0.01 eV. Sehingga essensi

semua penerima terionisasi pada suhu ruang.

Tingkat penerima terbentang di dalam energy pengosongan, sedikit diatas

sisi dari pita valensi. Tingkat ini berhubungan ke hole yang tertangkap oleh

penerima. Ketika sebuah penerima terionisasi (elektron tereksitasi dari atas dari

pita valensi untuk mengisi hole ini), hole jatuh ke atas dari pita valensi, dan

sekarang menjadi pembawa bebas. Sehingga proses ionisasi diindikasikan oleh

transisi ke atas dari elektron pada skala energy, direpresentasikan oleh transisi ke

bawah dari hole pada skala ini.

13

Kita katakan bahwa tingkat energy baik dari donor maupun penerima

ditemukan terbentang pada energy pengosongan dari Kristal. Energy dari

pengosongan dilarang dan tak ada elektron yang keluar disana. Bagaimanapun

tidak ada kontradiksi dengan Kristal sempurna ketika tingkat donor dan penerima

berhubungan dengan keadaan ketakmurnian sampai ke taksempurnaan pada

Kristal. Manifestasi yang lain dari penurunan adalah keadaan ketakmurnian,

representasi kembali keadaan ikatan, adalah terlokalisasi bukan tidak terlokalisasi

seperti elektron Bloch. Sehingga keadaan ketakmurnian adalah bukan konduktor.

C. DAYA HANTAR LISTRIK

1. STATISTIKA SEMIKONDUKTOR

Konsentrasi Pembawa dalam Semikonduktor Intrinsik

Pada semikonduktor disebut dengan tingkat Fermi. Saat temperatur tinggi kita

bisa mendapatkan pita konduksi dari semikonduktor , dan fungsi

distribusi Fermi Dirac, dapat dituliskan dengan :

Berlaku ketika

Besarnya energi elektron pada pita konduksi yaitu :

dimana me adalah massa efektif elektron, maka rapat orbital di adalah :

Konsentrasi elektron dalam pita konduksi adalah :

14

dengan hasil integral

Ini berfungsi untuk menghitung konsentrasi keseimbangan hole p. Fungsi

distribusi untuk hole berhubungan dengan fungsi distribusi elektron , dengan

, yaitu :

pada kondisi . Jika hole dekat pita valensi teratas berlaku sebagai

partikel dengan massa efektif mh, maka rapat orbital hole adalah:

Dengan mengukur energi positif ke atas dari pita valensi teratas didapat :

dimana p konsentrasi hole dalam pita valensi.

Kita mengalihkan n dan p untuk membuktikan hubungan keseimbangan :

bentuk persamaan tersebut merupakan hukum aksi massa. Dimana hasil kali np

konstan pada temperatur tertentu.Jarak tingkat Fermi dari kedua ujung pita harus

15

sama dengan k B T . Pada 300 K nilai np adalah 3.6 X 1027 cm-6 untuk Ge dan 4.6

X 1019 cm-6 untuk Si, semuanya dihitung dengan me= mh = m.

Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron sama dengan jumlah hole.

Pembawa intrinsik tergantung pada dimana Eg adalah celah energi.

Untuk level fermi diperoleh :

Jika mh = me, maka dan tingkat Fermi berada ditengah-tengah celah.

2. SEMIKONDUKSI EKSTRINSIK

Semi konduktor ekstrisik adalah semikonduktor yang dicampur dengan

pengotor tertentu yang mempengaruhi sifat listrik semikonduktor. Penambahan

boron pada silicon dalam pada 1 atom boron untuk 105 atom silicon dapat

meningkatkan konduktivitas silicon murni dengan factor 103 pada suhu kamar.

semikonduktor murni kekurangan sehingga efek dari penambahan kotoran yang

disebut doping. Semikonduktor dengan konsentrasi elektron lebih besar

dibandingkan konsentrasi hole disebut semikonduktor ekstrinsik tipe-n.

Semikonduktor tipe-n menggunakan semikoduktor intrinsik dengan

menambahkan atom donor yang berasal dari kelompok V pada susuna berkala,

misalnya Ar (arsenic), Sb (Antimony), phosphorus (P). Atom campuran ini akan

menempati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal semikonduktor.

Semikonduktor tipe-p, dimana konsentrasi lubang lebih tinggi dibandingkan

elektron, dapat diperoleh dengan menambahkan atom akseptor. Pada Si dan Ge,

16

atomnya aseptor adalah unsur bervalensi tiga (kelompok III pada susunan berkala)

misalnya B (boron), Al (alumunium), atau Ga (galium).

Pada penghubungan p-n terbuat dari Kristal tunggal yand dimodifikasi

pada daerah yang terspisah. Akseptor atom pengotor yang dimasukan ke satu

bagian untuk menghasilkan daerah p yang membawa mayoritas lubang. Atom

pengotor donor dibagian lain menghasilkan daerah n yang membawa mayoritas

electron.daerah penggabungan mungkin kurang dari 10-4 cm. jauh dari daerah

sambungan di sisi p atom (-) donor terionisasi dan memiliki konsentrasi yang

sama pada lubang. Di sisi n ada atom (+) donor yang terionisasi akseptor dan

memiliki konsentrasi yang sama dengan electron bebas.jadi di sisi p adalah

lubang, dan di sisi n adalah electron.

Electron akan berdifusi ke sisi n, tetapi difusi ini akan mengganggu

keseimbangan listrik dari system.

i.

ii. Variasi dari lubang dan konsentrasi electron

di sebuah penggabungan berisi (tegangan

nol). Pembawa berada dalam kesetimbanga

termal dengan akseptor dan donor atom

pengotor sehingga produk p-n dari lubang

dan konsentrasi eklektron adalah konstan di

seluruh Kristal sesuuai dengan hokum aksi

massa.

Potensial elektrostatik dari akseptor (-) dan dono (+) ion terdekat di

penggabungan. Gradien potensial penghambat difusi lubang dari sisi p ke sisi n,

dan menghambat difusi electron dari sisi n ke sisi lainnya.

3. MOBILITAS ELEKTRON

3.1. Mobilitas intrinsik

17

Mobilitas adalah besaran dari kecepatan alir per satuan medan magnet,

Persamaan 48

Mobilitas nilainya positif untuk elektron dan lubangnya, meskipun

kecepatan hanyut mereka berlawanan. Dengan menulis untuk elektron

atau lubang mobilitas kita dapat menghindari kebingungan antara sebagai

potensial kimia dan sebagai mobilitas.

Konduktivitas listrik adalah jumlah dari kontribusi elektron dan lubang

Persamaan 49

dimana n dan p adalah konsentrasi elektron dan lubang. Dalam bab 6 yang

penyimpangan kecepatan muatan q ditemukan mana

persamaan 50

Para mobilities tergantung pada temperatur sebagai kuasa hukum

sederhana. Suhu ketergantungan konduktivitas di wilayah intrinsik akan

didominasi oleh ketergantungan eksponensial dari konsentrasi

pembawa, persamaan (a5). Tabel 3 memberikan nilai eksperimental mobilitas di

ternperature kamar. Mobilitas dalam satuan SI dinyatakan m2/V-s dan adalah 10-4

dalam mobilitas dalam praktis unit. Untuk zat yang paling nilai dikutip dibatasi

oleh hamburan pembawa oleh termal mobilitas lubang phonons.The biasanya

lebih kecil dari mobilitas elektron karena terjadinya degenerasi band di pita

valensi tepi di pusat zona, sehingga mungkin interband stattering proses yang

mengurangi mobilitas dengan takaran dapat dipertimbangkan.

18

Dalam beberapa kristal, terutama dalam kristal ionik, lubang pada

dasarnya bergerak dan mendapatkan sekitar hanya dengan termal-diaktifkan

melompat dari ion untuk ion. Penyebab utama dari "perangkap diri" adalah

distorsi kisi terkait dengan efek Jahn-Teller merosot dari negara {Bab 14). Yang

diperlukan degenerasi orbital jauh rnore sering untuk lubang daripada elektron.

Ada kecenderungan untuk kristal dengan celah energi kecil pada pita

langsung tepi untuk memiliki nilai tinggi dari mobilitas elektron. Oleh (9,41)

celah kecil menyebabkan Iight efektif massa, yang oleh (50) mendukung

mobilitas tinggi. Mobilitas tertinggi diamati pada semikonduktor adalah 5 x 106

cm2/V-s di PbTe pada 4 K, di mana kesenjangan adalah 0,19 eV.

PENGOTOR KONDUKTIVITAS

Kotoran tertentu dan ketidaksempurnaan secara drastis mempengaruhi

sifat listrik dari semikonduktor. Penambahan boron pada silikon dalam proporsi

boron satu atom ke atom silikon 105 meningkatkan konduktivitas dari silikon

murni oleh fartor dari 103 pada suhu kamar. Dalam semikonduktor senyawa

stoikiometri sebuah kekurangan satu konstituen akan bertindak sebagai pengotor,

seperti semikonduktor. dikenal sebagai semikonduktor defisit. Penambahan

sengaja kotoran ke semikonduktor disebut doping. Kami mempertimbangkan efek

kotoran dalam silikon dan germanium. Unsur-unsur mengkristal dalam berlian.

struktur. Setiap atom membentuk empat kovalen obligasi, satu dengan masing-

masing negara tetangga terdekat, sesuai dengan bahan kimia valensi empat. Jika

atom kotoran dari valensi lima, seperti fosfor, arsen, atau antimon, digantikan

dalam kisi di tempat atom norrnal, akan ada satu elektron valensi dari atom

pengotor yang tersisa setelah kovalen empat Obligasi ini didirikan dengan

tetangga terdekat, yaitu, setelah pengotor atom telah diakomodasi dalam struktur

dengan sebagai gangguan sesedikit mungkin.

DONOR SERIKAT.

Struktur pada Gambar, 19 memiliki muatan positif pada pengotor atom

(yang telah kehilangan satu elektron). Studi konstan Kisi telah memverifikasi

19

bahwa kotoran pentavalent memasuki kisi dengan substitusi untuk norrnal

atom, dan tidak dalam posititxs interstisial. Atom pengotor yang dapat

memberikan sebuah elektron disebut donor. Kristal secara keseluruhan tetap netral

karena elektron tetap dalam kristal. Elektron bergerak dalam potensial coulomb

e/ɛ ion pengotor, dimana ɛ dalam kristal kovalen adalah konstanta dielektrik statis

rnediurn tersebut. Itu 1/ɛ faktor memperhitungkan penurunan kekuatan cuulomb

antara biaya disebabkan oleh polarisasi elektronik medium. Perawatan ini berlaku

selama orbit besar di comparisnn dengan jarak antara atom, dan untuk gerakan

lambat dari elektron sehingga frekuensi orbit rendah dibandingkan dengan

frekuensi sesuai dengan celah energi. Kondisi ini puas cukup baik di Ge dan Si

oleh elektron donor P, As, Sb.

Kami memperkirakan energi ionisasi dari pengotor donor. Para teori Bohr

dari atorn hidrogen mungkin ia modfied memperhitungkan konstanta dielektrik

dari rneedium dan massa efektif elektron dalam potensial periodik

kristal. Energi ionisasi atom hidrogen

Dengan demikian jari-jari Bohr dari donor adalah

Gambar 19. Biaya yang terkait dengan atom pengotor arsen dalam silikon.

Arsenik memiliki lima valensi elektron, tapi silikon hanya memiliki empat

elektron valensi. Dengan demikian empat elektron pada bentuk arsenik

ikatan kovalen tetrahedral mirip dengan silikon, dan elektron kelima yang tersedia

untuk konduksi. Itu atom arsen disebut donor karena, ketika terionisasi itu

menyumbangkan elektron ke pita konduksi.

Aplikasi untuk germanium dan silikon yang rumit oleh para anisotropik

efektif massa etrectrons konduksi. Tapi konstanta dielektrik memiliki

lebih irnportant berpengaruh pada energi donor karena memasuki dengan kuadrat:

sedangkan massa efektif masuk hanya sebagai kekuatan pertama.

Untuk mendapatkan kesan umum tingkat kenajisan odegan kita menggunakan

saya = 0,1 M. untuk elektron di germanium dan ME = 0.2m dalam silikon.

Dielektrik statis konstan diberikan dalam Tabel 4. Energi ionisasi dari atom

20

hidrogen bebas adalah 13,6 eV. Untuk germanium ionisasi donor energi Ed pada

model kami adalah 5 MeV. berkurang sehubungan dengan hidrogen dengan faktor

. Hasil yang sesuai untuk silikon adalah 20 MeV. Perhitungan

menggunakan yang benar tensor massa anisotropik memprediksi 9,05 MeV untuk

germanium dan 29,8 MeV untuk silikon. Nilai-nilai yang diamati dari energi

ionisasi donor di Si dan Ge diberikan dalam Tabel 5. Ingat bahwa 1 rneV = 10-3

eV. Dalam donor GaAs hayc Ed = 6 MeV. Para rardius dari orbit pertama Bohr

iricreased oleh di atas nilai.

Arsenik punya 5 elektron sementara silikon 4, 4-nya berikatan kovalen

tetrahedral seperti silikon sementara yang kelima sebagai penyedia kon duktifitas

yang energinya mempersempit pita terlarang,

21

22

Boron punya 3 elektron valensi, kalau pada kasus tersisa satu elektron

maka pada kasus boron menyisakan lubang (muatan positif) karena boron hanya

menggandeng tiga elektron silikon. Dengan menerapkan energi ionisasi yang

sama, boron mempersempit pita terlarang dengan arah berbeda.

Gambar 21 ketergantungan Suhu dari carrier concentratian gratis di ultra

murni Ge, setelah RN Hall. Konsentrasi bersih dari kotoran elektrik aktif adalah 2

x1010 cm-3 sebagai deterrnined oleh pengukuran Balai koefisien Onset cepat

eksitasi intrinsik terbukti sebesar nilai rendah dari 1 / T Konsentrasi pembawa erat

konstan antara 20 K dan 200 K.

THERMAL IONISASI DONOR DAN AKSEPTOR

Perhitungan konsentrasi equilibriurn elektron konduksi

dari donor terionisasi identik dengan perhitungan standar dalam mekanika statistik

dari ionisasi termal dari atom hidrogen (TP, hal. 369). Jika tidak ada

akseptor ini, hasil dalam batas suhu adalah

23

Jika konsentrasi donor dan akseptor yang sebanding, urusan yang rumit

dan persamaan diselesaikan dengan metode numerik. Namun, hukum aksi

massa (43)membutuhkan produk np akan konstan pada suhu tertentu.

Kelebihan donor akan meningkatkan cocentration elektron dan mengurangi

konsentrasi lubang, jumlah n + p akan meningkat. Konduktivitas ini akan

meningkatkan sebagai n + p jika mobilitas adalah sama, seperti pada Gambar 22.

Gambar 82 konduktivitas listrik dan p lubang konsentrasi dihitung

sebagai functlon elektron konsentrasi logam barat n

untuk sebuah semikonduktor pada suhu seperti bahwa np =1020 cm

6. Konduktivitas simetris sekitar n = 1010 cm-3. Untuk

n> 1010 spesimen adalah n jenis; untuk n <1010, adalah jenis p. Kami telah

mengambil p= irro,untuk mobilitas.

24

4. PENGARUH SUHU, HAMBURAN, DAN KETAKMURNIAN

4.1. EFEK TERMOELEKTRIK

Pertimbangkan semikonduktor rnaintained pada suhu konstan sementara

medan listrik yang mendorong melalui itu sebuah JQ kepadatan arus listrik. Jika

saat ini dilakukan hanya oleh elektron, fluks muatan adalah

Ini adalah hubungan Kelvin terkenal termodinamika ireversibel. Sebuah

pengukuran dari tanda tegangan di seluruh spesimen semikonduktor, salah satu

ujung yang dipanaskan, adalah cara yang kasar dan siap untuk mengetahui apakah

spesimen adalah n jenis atau p jenis (Gambar 23).

SEMILOGAM

Dalam semilogam tepi pita konduksi sangat sedikit lebih rendah dalam

energi dari tepi pita valensi. Sebuah kecil tumpang tindih dalam energi konduksi

dan valensi band menyebabkan srnall konsentrasi lubang di pita valensi dan

elektron pada pita konduksi (Tabel 7). Tiga dari semirnetals, arsenik,

antirnony, dan bisrnuth, berada dalam kelompok V dari tabel periodik.

Atom mereka mengasosiasikan berpasangan dalam kisi kristal, dengan dua ion

25

dan sepuluh elektron valensi per sel primitif. Para bahkan jumlah elektron valensi

akan memungkinkan elemen-elemen ini menjadi isolator. Seperti semikonduktor,

semimetals dapat diolah dengan kotoran cocok untuk memvariasikan jumlah

relatif dari lubang dan elektron. Konsentrasi mereka juga dapat divariasikan

dengan tekanan, untuk tumpang tindih pita tepi bervariasi dengan tekanan.

SUPERI.ATTICES

Pertimbangkan kristal multilayer dari bolak lapisan tipis komposisi yang

berbeda. Lapisan koheren pada skala nanometer ketebalan dapat disimpan oleh

Gambar 23 koefisien Peltier dari, n dan p silikon sebagai fungsi

temperatur. Di atas 600 K spesimen bertindak sebagai semikonduktor intrinsik,

Kurva dihitung dan poin experirnental, {Setelah T. H. Ceballe dan C. IV. Hull.)

26

Molekul-balok epitaksi atau logam-organik deposisi uap, sehingga

membangun sebuah superperiodic struktur dalam skala besar. Sistem lapisan

alternatif dari Gaas dan GaAlAs telah dipelajari untuk periode 50 atau lebih,

dengan jarak kisi A dari mungkin 5 nm (50 A). Sebuah potensi kristal

superperiodic muncul dari superperiodic struktur dan bekerja pada elektron

konduksi dan lubang untuk membuat baru (Kecil) zona Brillouin dan band energi

Mini disuperposisikan pada struktur pita dari lapisan konstituen. Di sini kita

mengobati gerak sebuah elektron dalam superlattice dalam medan listrik terapan;

C. Dasar Pembentukan Dioda

M a te r ia l P M a te r ia l N

G a m b a r D io d aS e b e lu m D ifu s i

+ + + + ++ + + + ++ + + + +

_ _ _ _ __ _ _ _ __ _ _ _ _

M a te r ia l P M a te r ia l N

G a m b a r D io d aS e b e lu m D ifu s i

+ + + + _+ + + + _+ + + + _

+ _ _ _ _+ _ _ _ _+ _ _ _ _

L a p is a n P e n g o s o n g a n

Gambar Simbol Dioda

27

1. Sifat Dasar dari Dioda

Adapun sifat dasar dari Dioda adalah menyearahkan arus satu periode saja (lihat gambar di bawah ini).

A K+

_

+

_

AK+

_

+

_

In p u t

In p u t

O u tp u t

O u tp u t

D io d a

D io d a

2. Contoh Penggunaan dioda

2.1. Untuk Pengaman Polaritas.

+

_ _

+D io d a

P e n e r im a R a d io

2.2. Untuk Penyearah.

28

220V

D

C6V

+

_

3. Harga Batas dioda

Yang dimaksud dengan harga batas dari dioda adalah batas

kemampuan maksimal dari suatu dioda baik arus maupun tegangannya.

Contoh : Dioda 1N4001

Dengan melihat data book dari dioda maka harga batas tegangan dan

arus dapat diketahui.

Harga batas arus = 1 Ampere

Harga batas tegangan = 50 Volt

Misalnya untuk peralatan / pesawat elektronika yang

membutuhkan arus dibawah 1 Amper dengan tegangan dibawah 50 V

maka dioda penyearah yang digunakan cukup dengan memakai dioda

dengan type 1N4001.

Untuk lebih jelasnya lihat gambar berikut ini :

29

maka diodanya (D1,D2,D3,D4) cukup menggunakan dioda dengan type

1N4001 sebanyak 4 buah.

4. Sifat Listrik dari Dioda

ka s a rha lus

V

A

V R50K

V R50K

V

1N4002+

-

Gambar C.1. rangkaian dioda catu maju (forward bias)

50

40

30

20

10

1V 2V 3V 4V

forwardbias

aliran forward( mA )

daerah tembusforward

0.7 V

Arus reverse

reversebias

B

Gambar C.2. kurva sifat listrik (karakteristik) dioda forward bias

30

kasarhalus

V

AVR 50K

VR 50K

470

20V

1N 4002+

-

Gambar 3. rangkaian dioda catu mundur (reverse bias)

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

A ru s re ve rse (m A )

4 0601 2 0F o rwa rd b ia s

A ru s fo rwa rd

R e ve rse b ia s

D

d a e ra hte m b u sre ve rs e

Gambar 4. Kurva sifat listrik ( karakteristik ) dioda reverse bias

31

Gambar 5. Sifat listrik ( karakteristik ) dioda secara lengkap

5. Dioda Sebagai Penyearah Gelombang

Sebagai Penyearah Setengah Gelombang Dengan Beban Tahanan

Prinsip Kerja Penyearah Setengah Gelombang

Jika A positip ( + ), B negatip ( - ), maka dioda konduksi 1 bekerja , sehingga

arus akan mengalir menuju RL dan kembali ke trafo.

32

Saat A negatip ( - ), B positip ( + ), maka dioda tidak konduksi/tidak bekerja

sehingga arus tidak mengalir.

Kejadian ini berulang/muncul lagi terus-menerus sehingga bentuk

gelombangnya dapat digambarkan sebagai berikut

Sebagai Penyearah Gelombang Penuh Dengan Dua Dioda

A

D 1

R L

IF 1

Uin

+

_

U1

U2D 2

IF 2

UL

B

C

Prinsip Kerja Dari Penyearah Gelombang Penuh Dua Dioda Dengan Beban

Tahanan

Perlu diketahui bahwa untuk rangkaian penyearah gelombang penuh dua

dioda diperlukan transformator yang mempunyai CT (Center Tap). Gelombang

33

sinyal pada titik A selalu berbeda phasa 180 terhadap titik C sedangkan titik B

sebagai nolnya.

Prinsip Kerja Penyearah Setengah Gelombang

Jika A positip ( + ), B negatip ( - ), maka dioda konduksi 1 bekerja ,

sehingga arus akan mengalir menuju RL dan kembali ke trafo.

Saat A negatip ( - ), B positip ( + ), maka dioda tidak konduksi/tidak

bekerja sehingga arus tidak mengalir.

Kejadian ini berulang/muncul lagi terus-menerus sehingga bentuk

gelombangnya dapat digambarkan sebagai berikut :

Sebagai Penyearah Gelombang Penuh Dengan Dua Dioda

A

D 1

R L

IF 1

Uin

+

_

U1

U2D 2

IF 2

UL

B

C

34

Prinsip Kerja Dari Penyearah Gelombang Penuh Dua Dioda Dengan Beban

Tahanan

Perlu diketahui bahwa untuk rangkaian penyearah gelombang penuh dua dioda

diperlukan transformator yang mempunyai CT (Center Tap). Gelombang sinyal

pada titik A selalu berbeda phasa 180 terhadap titik C sedangkan titik B sebagai

nolnya.

Sebagai Pengganda Tegangan

Uin

C 1

D 1

D 2

C 2 R LUL

+

_

A

B

Prinsip Kerja Pengganda Tegangan

Jika titik B positip ( + ), maka D1 konduksi (ON), C1 akan termuati

sampai U maksimum, pada siklus berikutnya. Titik A positip maka D2

konduksi (ON) sehingga C2 akan termuati sampai 2.U maksimum atau

U.L = 2.U maksimum. Output akan ditunjkkan seperti gambar berikut:

35