bahan semikonduktor new

Upload: nisrinah-enda

Post on 14-Jul-2015

746 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Bahan Semikonduktor 1. Sifat bahan semikonduktor 2. Jenis-jenis bahan semikonduktor (bahan semikonduktor intrinsic, bahan semikonduktor elementer) 3. Fungsi bahan semikonduktor 4. Pembentukan bahan semikonduktor tipe P dan bahan semikonduktor tipe N (bahan semikonduktor ekstrinsik)5. Jenis-jenis/sifat arus dalam bahan semikonduktor

Dioda Semikonduktor 1. Proses pembentukan diode P-N 2. Prinsip kerja dioda3. Pembiasan dioda 4. Karakteristik dioda 5. Pengaruh temperature terhadap karakteristik/kinerja

diode 6. Dioda Zener

7. Dioda pemancar cahaya (Ligt Emitting Diode, LED) 8. Kapasitansi persambungan (Junction Capacitance) 9. Rangkaian-rangkaian aplikasi dioda

BAHAN SEMIKONDUKTOR Berdasarkan kemampuan menghantarkan arus

listrik, material/bahan dibedakan atas : 1. Penghantar (Conductor)2. Bahan dielektrik / isolasi

3. Bahan semikonduktor Ditinjau dari nilai resistansi listrik,

penghantar/Konduktor mempunyai resistansi yang paling kecil, bahan dielektrik/isolasi mempunyai resistansi yang paling besar, bahan semikonduktor mempunyai resistansi antara resistansi konduktor dan resistansi bahan dielektrik.

R B D RS K R KDitinjau dari segi celah energi (energi gap), maka konduktor mempunyai energi gap yang sangat kecil, bahan isolasi mempunyai energi gap paling besar dan

bahan semikonduktor mempunyai energi gap antara energi gap konduktor dan energi gap bahan dielektrik. Energi gap ketiga bahan tersebut diperlihatkan pada gambar 1. Energi gap untuk Silikon (Si) pada 300o K adalah 1,1 eV dan untuk germanium (Ge) 0,72 eV.Pita konduksi kosong EG Pita konduksi kosong EG Pita konduksi terisi

Pita valensi terisi elektron Dielektrik

Pita valensi terisi elektron

Pita valensi terisi

Konduktor Semikonduktor

Gambar 1 Energi gap konduktor, semikonduktor, bahan dielektrik Keistimewaan konduktivitasnya menambahkan unsur bahan dapat semikonduktor ditingkatkan ( adalah dengan impurity

ketidak-murnian

element ) melalui suatu proses yang dikenal dengan proses Doping. Unsur ketidak-murnian yang digunakan biasanya disebut unsur dopan.

Sifat-sifat bahan semikonduktor Sifat-sifat utama bahan semikonduktor tanpa doping antara lain :1. Resistansinya lebih besar dari resistansi konduktor

logam, tetapi lebih kecil dari resisitansi bahan dielektrik. 2. Mempunyai Resistansinya koefisien berkurang temperatur terhadap negatip. kenaikan

temperatur (sifat sangat penting).3. Mempunyai elektron valensi 4. Artinya pada kulit

terluar terdapat empat elektron , setengah dari 8 elektron yang dibutuhkan untuk kondisi stabil. Elektron pada kulit terluar digunakan bersama oleh atom yang saling berdekatan sehingga tidak ada elektron bebas. Ikatan kimia yang terbentuk dengan prinsip penggunaan bersama elektron pada kulis terluar disebut Ikatan Kovalen. Elektron pada kulit terluar digunakan bersama oleh atom-atom yang berdekatan, sehingga tidak ada elektron bebas. Dalam keadaan demikian bahan semikonduktor mempunyai resistansi yang lebih besar dari konduktor

atau lebih bersifat bahan isolasi. Sebagai perbandingan, nilai tahanan jenis () dalam satuan .cm : 2 x 10 untuk siikon (Si), 2 x 1012 untuk mika. Bahan semikonduktor didapati pada kolom IV dari daftar periodic unsur unsur kimia. Semikonduktor Silikon (Si) dan Germanium (Ge) disebut Semikonduktor Elementer, karena struktur atomnya hanya terdiri dari satu jenis atom. Disamping SK elementer ada pula SK paduan (Compound Semiconductor) seperti paduan antara unsurunsur golongan III dan V serta golongan II dan IV. SK paduan antara lain GaAs (III dan V), GaAsP (III dan V), GaP ( III dan V ). Semikonduktor paduan umumnya digunakan untuk membuat komponen yang dapat memancarkan cahaya (LED, Light Emitting Dioda) atau komponen yang dapat menyerap cahaya seperti photo transistor. SK elementer umumnya digunakan untuk membuat komponen elektronik seperti : Dioda, Transistor, Komponen Rangkaian Terpadu = Integrated Circuit (IC) dan bahan semikonduktor elementer yang paling umum digunakan adalah Silikon (Si) Untuk meningkatkan konduktivitas bahan SK murni (SK intrinsik), maka ditambahkan unsur ketidakmurnian-6

untuk

tembaga (Copper,Cu), 50 untuk germanium (Ge), 50 x 103

(Impurity element) yang biasa disebut unsur dopan. Proses penambahan unsur dopan disebut proses doping. Pemberian ekstrinsik. Dalam keadaan murni, atom silicon dan germanium terikat dalam ikatan kovalen yaitu penggunaan bersama elektron pada kulit terluar untuk memenuhi kebutuhan 8 elektron. Dengan demikian tidak terdapat elektron bebas, sehingga praktis semikonduktor murni lebih bersifat sebagai bahan isolasi. Ikatan kovalen untuk Si diperlihatkan pada gambar 2. unsur dopan menghasilkan bahan semikonduktor yang tidak murni atau semikonduktor

Struktur Kristal Semikonduktor Murni (Intrinsik)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Gambar 2 Ikatan kovalen Si dalam keadaan murni

Dengan

menambahkan

unsur

dopan

valensi

5

seperti Posphor (P), maka kristal silicon akan kelebihan satu elektron yang tidak terikat atau merupakan elektron bebas. Karena terdapat kelebihan elektron yang bermuatan negatif maka atom silicon yang diberikan doping valensi 5 menjadi semikonduktor ekstrinsik tipe N, seperti pada gambar 3.Elektron bebas Si Si Si Si +4q

Si

Sielektron bebas (-)

Si

Si

+4q

+5q

+4q

+4q Si Si

Si

P

BSK Murni (Intrinsik)

Unsur Dopan Valensi 5

SK Tipe N

Gambar 3 Atom silicon dengan doping valensi 5 (SK tipe N) Dengan memberikan doping unsur valensi 3 seperti Aluminium (Al), maka dalam struktur tersebut akan kekurangan satu elektron. Kondisi tersebut ekivalen

dengan lobang (hole) yang bermuatan positif. Karena itu semikonduktor yang dihasilkan disebut semikonduktor ekstrinsik tipe P seperti pada gambar 4.

Si

Si

Si

Si +4q Hole bebas

Si

Si

Si

Si +4q

+3q

+4q

hole bebas (+)

Si

Al

Si

Si

+4q

BSK Murni (Intrinsik)

Unsur Dopan Valensi 3

SK Tipe P

Gambar 4 Atom silicon dengan doping valensi 3 (SK tipe P)

DAFTAR ELEMEN UNSUR DOPAN dan BAHAN SEMIKONDUKTOR Elemen Simbol No. Ato m Antimony Arsenic Phosphoru s Ge Germaniu m Silikon Al 13 3 Si 32 14 4 4 Elemen semikonduktor murni Sb As P 51 33 15 5 5 5 Elemen donor ketidak murnian. Memberikan electron untuk membentuk SK tipe N. As dan Sb digunakan untuk Ge dan P untuk Si Elektron valensi Pemakaian

B Aluminium Boron Gallium Indium Ga In

5 31 49

3 3 3 Elemen ketidak murnian akseptor. Mengambil elektron untuk membentuk SK tipe P. Ga dan In digunakan untuk Ge. Al dan B digunakan untuk Si

Daftar Material untuk LED dan Karakteristiknya Material GaAs GaAlAs GaAsP / GaAs GaP Red / Orange 1,9 Warna Infrared Infra-redred Red Vf (Volt) 1,2 1,3 1,4 1,6 1,75 Itipikal (mA) 50 50 Sedikit buram 20 Efisiensi sangat rendah 30 Karakteristik tidak linier Keterangan Tipe original Tahun 1980an

GaAlAsP 1,8 1,9 GaAsP/G aP InGaAlP GaAsP Red 1,9 Red/Orang e Red/Orang e/ Jellow/Gree n Yellow 1,9 2,3

20 Terang/cerah 5 20 Efisiensi tinggi 20 Terang/cerah 20 2 20 Tipe kuning pertama yang dikembangka n Tipe hijauh pertama Efisiensi sedang diperbaiki sekarang Sensitif terhadap tegangan dan arus beban lebih Efiiensi rendah

GaP InGaN

2,1 20 3,6

Green 20 GaN Blue/Green 3,6 30 SiC GaN/SiC GaN Blue Blue/Violet Ultraviolet Blue/White 3,5 20 3,8 5 10 3,9

Sedikit buram

DIODA PERSAMBUNGAN P N (DIODA SEMIKONDUKTOR) Proses Pembentukan Persambungan P-N Secara visualisasi yang diperbesar, struktur SK tipe P dan tipe N diperlihatkan pada gambar 1. Proses pembentukan persambungan P N diperlihatkan seperti pada gambar 2, dimana SK tipe P dan SK tipe N didekatkan satu sama lain dengan teknik tertentu.

SK tipe P

SK tipe N

T ip e P

Tip e N

Gambar 1

Gambar 2

Beberapa elektron dalam sisi tipe N ditarik ke tipe P dan pada saat yang sama hole dalam jumlah yang sama ditarik ke sisi N. Muatan-muatan tersebut menghasilkan

pasangan elektron hole yang netral. Namun demikian, efek ini tidak mencakup ion-ion unsur dopan . Ion-ion tersebut menimbulkan potensial barrier internal VB pada kedua sisi persambungan. VB mempunyai polaritas yang mencegah lebih banyak elektron bebas atau hole bebas yang bebas menyeberangi dalam tipe P, persambungan. untuk Akibatnya kedua VB sisi mempertahankan elektron bebas dalam tipe N dan hole mencegah semikonduktor saling menetralisir. Meskipun Potensial Barrier tidak dapat diukur secara langsung, tetapi efeknya dapat diatasi dengan 0,3 Volt untuk persambungan Ge dan 0,7 Volt untuk persambungan Si. Potensial barrier untuk Si lebih besar dari Ge karena nomor atom yang lebih rendah sehingga lebih stabil dalam ikatan kovalen. Potensial barrier dapat diatur dengan memberikan tegangan dari luar. Pemberian tegangan (reverse maju bias) (forward) tidak akan dapat menghilangkan VB . VB VB sebagian atau seluaruhnya. Pemberian tegangan balik menghilangkan dipengaruhi oleh temperature. Baik Si maupun Ge, VB akan turun sebesar 2,5 mV untuk setiap kenaikan temperature 1 oC Karena pasangan elekron hole yang netral, daerah persambungan merupakan daerah pengosongan

(depletion layer) artinya tidak ada pembawa muatan yang bebas. Proses terbentuknya struktur persambungan P N diperlihatkan pada gambar 3 dan kondisi akhir diperlihatkan pada gambar 4.

T ip e P

T ip e N

T ip e P

Gambar 3 Proses pembentukan persambungan P NLapisan deplesi Anoda (A) Katoda (K)

M edan lis t rik

T ip e N

Tipe P

Tipe N

Gambar 4 Kondisi akhir terbentuknya persambungan P-N.

Dalam keadaan demikian persambungan PN sudah membentuk dioda PN atau dioda semikonduktor yang disimbolkan secara umum pada gambar 5.

a. dioda penyearah,

b. Dioda Zener, c. Light Emitting

Dio de (LED) Gambar 5 simbol-simbol dioda

Pembiasan dioda Pembiasan dioda adalah pemberian energi dari luar untuk membuat dioda konduksi atau tidak konduksi seperti yang dipelihatkan pada gambar 6. Pembiasan dioda ada dua macam yaitu 1. pembiasan maju (forward bias)2.

pembiasan balik (reverse bias)

Lapisan deplesi hilang

Tipe P

Tipe N

Bias maju (Forward Bias)Gambar 6a. Forward bias pada diodaLapisan deplesi melebar

Tipe P

Tipe N

Bias balik (Reverse Bias) Gambar 6b. Reverse bias pada diodaKarakteristik Dioda. Karakteristik pembiasan. dioda diperoleh forward dari dua macam dari

Karakteristik

diperoleh

pembiasan forward dan karakteristik reverse diperoleh

dari pembiasan reverse. Kedua karakteristik tersebut diperlihatkan pada gambar 7.R A IF R A IR

VF

V

VR

V

Forward bias

Reverse bias

Data pengukuran forward bias VF IF 0,1 0.2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Data pengukuran reverse bias VR IR 1 2 3 4 5 6 7 8 ..

Arus Forward IF (mA) Ge 400

Karakteristik Forward

Si

300

200 V BR 100 Tegangan reverse 0,2 Arus balik jenuh, Si = 1 uA Arus balik jenuh, Ge = 1 mA Karakteristik Reverse Tegangan Forward (VF) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Arus balik (IR)

Gambar 7 Karaktersitik dioda Pengaruh Temperatur Pengaruh dioda. Temperatur terhadap karakteristik forward

Arus Forward IF (mA) Ge

Karakteristik Forward T = 35oC T = 25oC Si

Arus Forward IF (mA) Ge 400 IF pada 35 o C

Karakteristik Forward T = 35oC T = 25oC Si

IF Konstan

300

IF pada 25 o C

200

Tegangan Forward (VF) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

100 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Tegangan Forward (VF) VF Konstan

Gambar 8a

Gambar 8b

Dari gambar 8a dapat disimpulkan bahwa pada level IF yang konstan, bila temperature dinaikkan maka tegangan forward VF akan turun Dari gambar 8b dapat disimpulkan bahwa pada level VF yang konstan, bila temperature dinaikkan maka arus IF akan meningkat

Pengaruh

temperature

terhadap

kaeraktersitik

reverse dioda.

V BR V BR = Junction Breakdown Voltage Tegangan reverse (V) R T = 25o C T = 35o C4 0A

10 A2 0 A

T = 45o C

Karakteristik Reverse

Arus balik (IR )

Gambar 8 c Setiap kenaikan temperature sebesar 10 o C akan menyebabkan kenaikan arus balik sebesar 2 kali lipat

Kapasitansi Persambungan (Junction Capacitance)

Daerah atau lapisan pengosongan (depletion layer) pada persambungan P-N merupakan daerah tanpa muatan dan dapat dianggap sebagai bahan isolasi atau dilelektrik. Lapisan pengosongan tersebut dapat berubahubah berdasarkan Level/nilai tegangan pembias balik. Bila SK tipe P dan SK tipe N yang mengapit lapisan deplesi tersebut dipandang sebagai konduktor, maka pada persambungan P-N akan terdapat efek / sifat kapasitansi.Lapisan deplesi A noda (A ) K atoda (K )

Tipe P

Tipe N

Hal

tersebut

dapat

dibandingan

dengan

rumus

kapasitansiC = A d

Jika

tegangan

pembias

balik

diperbesar,

maka

lapisan pengosongan akan melebar yang ekivalen dengan d yang makin besar, sehingga C menjadi kecil. Sebaliknya jika tegangan pembias balik diperkecil, maka lapisan

pengosongan mengecil atau d menjadi kecil sehingga C menjadi besar. Rangkaian-Rangkaian Aplikasi Dioda1. Rangkaian Penyearah (Rectifier)

a. Berdasarkan tipe keluaran-

Penyearah gelombang (half wave rectifier) Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier), jenis jembatan dan pembalik fasa

-

2. Rangkaian Stabilisator Tegangan 3. Rangkaian pengganda dan pelipat ganda tegangan 4. Rangkaian Clamper 5. Rangkaian Clipper 6. Rangkaian Detektor Puncak Rangkaian Penyearah setengah gelombang (Half wave rectifier)

v v

RL t

I Forward bias

v

RL

VRL = I.R L

t

I=0 Reverse bias RL

v

VRL = I.R L = 0

t

I=0 Reverse bias

vVRL = I.R L = 0 t

RL

I Forward bias RL

v

t

VRL = I.R L

Rangkaian Penyearah gelombang penuh (Full wave rectifier) Jenis Pembalik fasa (Phase inversion type)

CT RL

+ CT RL CT = Centre Tap + CT RL

Penyearah Gelombang penuh Jenis jembatan

(Bridge Rectifier)D1 D2 D3 D4

D1 D2 D3 D4 RL

D1 D2 D3 D4 RL

Tugas1. Sebutkan tiga jenis bahan berdasarkan sifat

kelistrikan (daya hantar listrik).2. Bagaimana membedakan ketiga bahan tersebut dari

segi resistansi listrik dan energi gap.3. Tuliskan sifat-sifat bahan semikonduktor (ada tiga). 4. Bagaimana cara pembuatan SK tipe P dan SK tipe N. 5. Apa perbedaan arus dalam SK dengan arus dalam

konduktor.6. Jelaskan dua macam arus dalam SK.

7. Jelaskan proses pembentukan dioda pn 8. Jelaskan cara pembiasan dioda 9. Gambarkan karakteristik dioda 10. Jelaskan cara kerja penyearah setengah

gelombang, penyearah gelombang penuh 11.