SEMIKONDUKTOR

1

Pengantar

2

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

Pita Energi dalam Semikonduktor

Ruang diantara pita disebut

Gap Energi atau Pita

Terlarang

9

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

21

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

SEKIAN

24