TK – 33205ELEKTRONIKA DASAR

JURUSAN TEKNIK KOMPUTERFAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KOMPUTER

UNIVERSITAS KOMPUTER INDONESIA

Bahan Semikonduktor

Senin 8 Mei 2023 2

TEORI SEMIKONDUKTOR

Senin 8 Mei 2023 3

• Elektronika : ilmu yang mempelajari sifat dan pemakaian devais yang kerjanya berdasarkan aliran elektron di dalam ruang hampa atau gas serta hole (lubang) di dalam semikonduktor.

PENDAHULUAN

• Aplikasinya pada Televisi (TV), radio, komputer, instrumentasi, alat kendali, dan peralatan komunikasi lainnya.• Dasar-dasar SK:1. Teori atom2. SK Intrinsik3. SK Ekstrinsik4. Konduksi dalam SK5. Perubahan tegangan pada SK dengan doping tidak

merata

Senin 8 Mei 2023 4

Proton (Q+)

Inti Atom mengitari atom

Neutron (Q=nol)Atom

Elektron (Q -)

1. Teori Atom

Qe=Qp =1,6.10-19 C

Senin 8 Mei 2023 5

• Model dasar atom menurut BOHR : “ Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing”

•Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e)•Konduktivitas atom tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi:

a. Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna

b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator

Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektronvalensi ).

TIGA JENIS BAHAN

Konduktor Isolator Semikonduktor :

1. Germanium2. Silikon

----

-

--

--

---

--

-

--- -

--

-

-

--

-

--

-

-

-

-

+32

STRUKTUR ATOM GERMANIUM

Inti atom dengan 32 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron bebas

Elektron valensi

Valensi 4 Semikonduktor

Orbit ketiga : 18 elektron

Orbit kedua : 8 elektron

Orbit pertama : 2 elektron

STRUKTUR ATOM SILIKON

Inti atom dengan 14 proton

Orbit terluar : 4 elektron

Elektron Valensi

Elektron bebas

Orbit kedua : 8 elektron

Orbit pertama : 2 elektron

---

-

-

-

-- -

- -

-

-

-

+14

Valensi 4 Semikonduktor

Senin 8 Mei 2023 9

• Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4 eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antara konduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik.

•Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6 proton (2-4), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4)•Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat•Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer

6 p (2-4)

KL

14 p (2-8-4)

KL

M

Senin 8 Mei 2023 10

Senin 8 Mei 2023 11

Dasar Semikonduktor

Senin 8 Mei 2023 12

Senin 8 Mei 2023 13

Senin 8 Mei 2023 14

Hukum–hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit :1. Elektron pada kulit orbit tidak dapat berada pada ruang antara 2 kulit

orbit2. Setiap kulit orbit sesuai dengan suatu energi. Semua elektron pada

kulit orbit yang sama mempunyai energi yang sama. Jumlah energi akan naik jika jauh dari inti. Jadi elektron valensi mempunyai jumlah energi paling tinggi.

3. Elekton yang meloncat dari kulit ke kulit maka elektron harus menyerap energi untuk mengatasi perbedaan energi antara jumlah enegi awal dan akhir.

4. Bila no 3 terpenuhi maka elektron dapat melepas energi yang diserap dan kembali ke kulit yang berenergi rendah.

Senin 8 Mei 2023 15

Celah energi adalah ruang antara setiap dua kulit orbit.Elektron melewati celah energi dan tidak dapat berada di dalam celah energi, pada gambar diatas elektron harus menyerap energi 1,1 eV (elektron valensi).

KRISTAL SILIKON8 elektron valensi

stabil

isolator

ikatan valensi

25o C ?

PENGARUH TEMPERATUR

temperatur > 0o K = - 273 oC

elektron bebas

hole

atom bergetar

25o Ckristal murni

- rekombinasi- waktu hidup (lifetime) <<

Senin 8 Mei 2023 18

2. SemiKonduktor Intrinsik

• Pada temperatur tinggi, elektron keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas dan terbentuk hole (lubang)

Senin 8 Mei 2023 19

cE

gE

vE

bidang konduksi

elektron bebas

bidang celah energi

bidang valensi

hole

Bidang energi kristal (x-tal) 00 K

Pada temperatur tinggi

cE

vE

• Jika temperatur kristal dinaikkan sehingga elektron valensi yang energi termal melebihi maka elektron meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas.

Senin 8 Mei 2023 20

• Kekosongan pada ikatan kovalen elektron keluar harus bermuatan Q (+) kaena kristal harus netral. Kekosongan itu disebut hole atau lubang.

a). 1 2 3 4 5 ion ke 2 mengisi hole pada ion ke 1

b). 1 2 3 4 5 ion ke 3 mengisi hole pada ion ke 2 c). 1 2 3 4 5 ion ke 4 mengisi hole pada ion ke 3 dan seterusnya

arah aliran hole arah aliran elektron

• Jadi semikonduktor intrinsik pada K bersifat isolator dan pada temperatur tinggi bersifat konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan hole yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan Q.

Senin 8 Mei 2023 21

Semikonduktor Intrinsik

A C D

E

F

B

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK (MURNI)

2 pembawa muatan- elektron bebas+ lubang (hole)

- - - - - - - - - - + + + + + + + + + +

+ -

Senin 8 Mei 2023 23

3. SK Ekstrinsik• dilakukan doping dengan memasukan atom asing bervalensi 5 atau 3 disebut semikonduktor ekstrinsik, untuk menyusun devais elektronik yang kaya akan satu jenis pembawa muatan : hole atau elektron saja.

Semikonduktor jenis n Dengan doping atom asing bervalensi 5 sebagai atom donor karena ikatan kovalen memberikan

satu elektron : P (fosfor), Ar (arsen), Sb(antimon) ke dalam semikonduktir intrinsik. Dengan

menambahkan energi kecil pada elektron valensi, maka elektron masuk ke bidang konduksi. Dengan penambahan atom donor terjadilah

elektron bebas disebut jenis-n.

Senin 8 Mei 2023 24

Beda semikonduktor intrinsik dengansemikonduktor jenis-n•Semikonduktor intrinsik, elektron bebas di sertai hole bergerak sebagai pembawa muatan.•Semikonduktor jenis-n berbentuk elektron bebas, tidak disertai hole tetapi ion (+) yang tidak dapat bergerak.

Semikonduktor jenis p Dengan doping atom asing bervalensi 3

sebagai atom akseptor karena ikatan kovalen memperoleh satu elektron : B

(boron), Al (aluminium), dan Ga (Galium) kedalam semikonduktor intrinsik

Senin 8 Mei 2023 25

Donor dan aseptor dalam tabel periodik

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE N

Atom bervalensi lima

- memberi 1 elektron

elektron bebas > hole

- atom donor

mayoritas minoritas

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE P

Atom bervalensi tiga

- mengurangi 1 elektron

elektron bebas < hole

- atom akseptor

minoritas mayoritas

- - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + ++ + + + + + + ++ + + + + + + + - - - - - - - - - -

SEMIKONDUKTOR TIPE N

SEMIKONDUKTOR TIPE P

Senin 8 Mei 2023 29

4. Konduksi di dalam SemiKonduktor

Partikel yang menghantarkan arus dalam semikonduktor adalah: elektron dan hole.Ada dua penghantar arus :

1. Arus difusi adalah suatu penghantar arus I di dalam semikonduktor karena tidak meratanya konsentrasi hole p partikel atau terjadi gradientkonsentrasi 2. Arus Drift adalah suatu partikel bermuatan dia dalam medan listrik (elektris) akan bergerak dibawah gaya F tarik dan tolak elektris. Idrift ~ Energi E. Jumlah kedua arus disebut arus total.

Senin 8 Mei 2023 30

Arus Semikonduktor

Senin 8 Mei 2023 31

Arus Semikonduktor

Senin 8 Mei 2023 32

Elektron dan Hole

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

DIODA TANPA PRATEGANGAN

(Unbiased Diode)

Tipe p Tipe n

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

+ + + +- - - -

pn junction

Elektron tolak-menolak

Rekombinasi Dipole

Difusi elektron ke tipe p

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

+ + + + - - -

+ + + + - - -

+ + + + - - -

+ + + + - - -

Depletion layer

Dipole Medan listrik Barrier potensial

Dioda Germanium 0,3 V Dioda Silikon 0,7 V

PRATEGANGAN MAJU (FORWARD BIAS)

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

+ + + + - - -

+ + + + - - -

+ + + + - - -

+ + + + - - -

p n

elektron bebaselektron valensi

PRATEGANGAN BALIK (REVERSE BIAS)

-+

-+

- -

-+

-+

- -

-+

-+

- -

-+

-+

- -

+ + + + - -

+ + + + - -

+ + + + - -

+ + + + - -

p n

hole elektron

SIMBOL DIODA

K A

Komponen dengan dua elektroda (terminal) Hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah saja Model dioda :

Anoda Katoda

Pendekatan pertama (ideal)

Pendekatan kedua

Pendekatan ketiga

DIODA IDEAL forward bias

VD

ID

VD = VA - VK

reverse bias

VD sembarang ID = 0

ID sembarang

VD = 0

DIODA

Lambang dioda :pn

ANODA

KATODA

Karakteristik dioda :

V S V D

R

REVERSEREGION

FORWARDREGIONBREAKDOWN

LEAKAGECURRENT

KNEE

I

V

Pendekatan dioda :IDEAL

REVERSE BIAS

V

I

FORWARD BIAS

PENDEKATAN KE - 2

REVERSE BIAS

O,7 V

V

I

FORWARD BIAS

O,7 V

PENDEKATAN KE - 3

REVERSE BIAS

O,7 V rB

V

I

FORWARD BIAS

O,7 V rB

Senin 8 Mei 2023 42

Latihan Soal1). Hitunglah konsentrasi hole dan elektron didalam germanium (Ge) tipe-p

dengan suhu 3000 K bila resitivitas 0,02 Ω.cm dan mobilitas hole (µp) 1800

cm2 /volt .dtk

2). Sama dengan no.1 tetapi untuk silikon (Si) tipe-n bila resitivitasnya 20

Ω.cm dan mobilitas elektron silikon (µn) 1300 cm2 /volt. detik

3). SK doping berundak dimana konsentrasi atom donor = 102 konsentrasi

atom akseptor, konsentrasi atom akseptor 1 atom akseptor per 108 atom

Ge. Hitunglah potensial kontak Vo pada suhu 300oK jika diketahui

konsentrasi atom Ge 4,4 x 1028 atom⁄ m3 dan konsentrasi atom intrinsik = ni

= 2,5 x 1013 serta potensial VT = 0,0259 Volt. Konsentrasi atom akseptor

10-8 konsentrasi atom Ge.

Senin 8 Mei 2023 43

• Solusi pr : 8. Bab III Semikonduktor.doc