Download - Sambungan Pn
-
7/25/2019 Sambungan Pn
1/21
SAMBUNGAN P-N
Struktur Dasar Sambungan p-n
Secara skematik sambungan p-n diperlihatkan pada gambar 1-a. perlu disadari
bahwa kedua sisi semikonduktor terbuat dari kristal tunggal dimana satu sisi dikotori
dengan atom akseptor membentuk daerah tipe-p dan sisi yang lain dikotori dengan
atom donor membentuk daerah tipe-n.
Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah semikonduktor terjadi
perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 1-a kanan) memiliki sejumlah elektron yang
akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom
akseptor menarik elektron (menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas
tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan.
Pada proses ini terjadi diusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan diusi lubang dari tipe-
p ke tipe-n (gambar 1-b).
Proses diusi ini tidak akan berlangsung selamanya karena elektron yang sudah
berada ditempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses diusi
berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir. Kita
harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberangi
sambungan. !aerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi ataudaerah transisi. !aerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat
terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang elektron. Salah
satu pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p akan mengalami
pengaruh dari proses penolakan elektron diusi dari tipe-n. !engan kata lain elektron
minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. "erakan pembawa muatan
akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai #drit$. Situasi ini akan stabil
saat arus diusi sama dengan arus drit.
Pada daerah sambungan atau daerah deplesi yang sangat tipis terjadi
pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya diusi ke sisi yang lain.
%ilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan
positi di daerah tipe-n dan lapisan muatan negati di daerah tipe-p (gambar 1-c).
-
7/25/2019 Sambungan Pn
2/21
Gambar 1. Penyambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n& a) Saat mulai
disambungkan, b) proses diusi dan aliran arus drit, dan c) 'erbentuknya lapisan
deplesi
apisan muatan pada daerah deplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor
keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan
pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai
potensial kontak atau potensial penghalang b(gambar 1-c). keadaan ini disebut dioda
dalam keadaan rangkaian terbuka.
!alam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihatkan pada gambar 1-c,
hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi
dan daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi
mengakibatkan terjadinya medan listrik dalam arah *+. dalam keadaan
kesetimbangan besarnya arus elektron (drit dan diusi) sama dengan nol.
JP=Jp(drift)+Jp (difusi )=0 (1)
Jp=q pp Exq Dpdp
dx=0
()
!engan
-
7/25/2019 Sambungan Pn
3/21
Ex=1
q
d Ex
dx danDp=
p kT
q
()
Jp=p(p d EI
dxkTdp
dx )=0
()
Sehingga
Jp=ppd E f
dx=0 (/)
0ntuk sambungan n juga sama
Jn=nnd E f
dx=0 ()
!imanaJp adalah kerapatan arus (23cm), 4 adalah muatan,
p /p adalah
mobilitas hole3elektron (cm3m), P dalah konsentrasi hole, n adalah konsentrasi
elektron, 5 adalah medan listrik, !p adalah koeisien diusi, + adalah posisi.
Potensial barrier3potensial kontak (b) terjadi karena ketidak seimbangan atau
ketidakstabilan antara hole dalam material tipe-p dan elektron dalam material tipe-n.
6ika electron bebas itu memiliki energi yang cukup besar, ia dapat membantu dinding
tersebut dan memasuki daerah p, dimana ia akan jatuh kedalam hole dan
menciptakan ion negati7e yang lain. Kekuatan dari lapisan kosong terus bertambah
besar dengan semakin banyaknya electron yang menyeberang sampai suatu
keseimbangan tercapai. Pada keadaan ini terjadi penolakan dalam (internal
repultion). !ari lapisan kosong akan menghentikan diusi lebih lanjut dari electron
bebas melalui junction. 8eda potensial pada lapisan kosong disebut dengan Potensial
8arrier.9umus energi potensial barier dapat ditulis&
E=q Vbi (7)
!iagaram potesial barier adalah sebagai berikut &
Gambar 2.!iagram potensial barier
-
7/25/2019 Sambungan Pn
4/21
5nergi elektron
akan bernilai positi ketika naik pada diagram le7el energi sehingga elektron
potensial akan bernilai positi ketika turun. 5nergi dan potensial hole selalu
bernilai positi pada arah yang berlawanan dengan elektron.
Sehingga dapat dirmuskan
q Vb=(EiE f) (:)
Vp=kT
q ln
NA
ni (;)
Sama untuk pada bagian n
Vn=kT
q ln
ND
ni
(1
-
7/25/2019 Sambungan Pn
5/21
Sambungan p-n pada kesetimbangan termal
Gambar 3. Sambungan p-n pada kesetimbangan termal
=ekanisme jalannya arus
Pembawa diusi menyebabkan elektron berada pada daerah deplesi
2rus drit menyebabkan timbulnya medan listrik di daerah deplesi
2rus diusi adalah pembawa mayoritas
2rus drit adalah pembawa minoritasKesetimbangan sambungan p-n
Model Pita nergi Sambungan p-n
!engan melihat bentuk pita energi sambungan p-n kita akan lebih mudah untuk
memahami siat dasar dan mekanisme transportasi pembawa muatan pada daerah
sambungan. "ambar -a memperlihatkan diagram pita energi untuk semikonduktor
tipe-p dan tipe-n sebelum terjadi penyambungan (perhatikan dimana posisi energi
>ermi masing-masing material). !alam keadaan kesetimbangan termal setelah terjadi
penyambungan, maka tingkat energi >ermi kedua material akan sama (segaris) seperti
diperlihatkan pada gambar -b.
-
7/25/2019 Sambungan Pn
6/21
Gambar !.!iagram pita energi& a) Semikonduktor tipe-p dan tipe-n dan b)
Setelah kedua jenis semikonduktor disambungkan.
Gambar ".Karakteristik pada daerah sambungan p-n& a) !istribusi muatan
ruang, b) !istribusi medan listrik, dan c) !istribusi potensial elektrostatik.
Kita akan menghitung distribusi potensial elektrostatik pada daerah sambungan
dengan melihat distribusi muatan ruang (gambar /-a) dan menggunakan persamaan
Poisson pada daerah < ? + ? dnsebagai
d
dx=+q ND
0
(1)
-
7/25/2019 Sambungan Pn
7/21
dimana dan o(biasanya ditulis o@ s) masing-masing adalah konstanta dielektrik
relati bahan dan dalam 7akum. !engan mengintegralkan persamaan 1 diperoleh
=q ND
0x+Cn (1)
dan untuk *dp? + ? < diperoleh
=q NA
0x+CP (1)
dimana Andan Apadalah konstanta integrasi. Pada persamaan 1 dan 1 terdapat dua
kondisi ekstrim, yaitu& i) @ mpada + @
-
7/25/2019 Sambungan Pn
8/21
elektrostatik dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan 1B dan 1:. 0ntuk , dan saat dikenakan panjar mundur potensial elektrostatik akan bertambah
menjadi bE9. !engan demikian persamaan / harus dimodiikasi menjadi
nn=np eq(VbV)/kT
(B)
!imana nndan npadalah kerapatan electron pada perbatasan daerah deplesi tidak
dalam keadaan kesetimbangan pada sisi tipe-n dan sisi tipe-pI berharga positi
-
7/25/2019 Sambungan Pn
16/21
untuk panjar maju dan negati untuk panjar mundur. 0ntuk arus injeksi-rendah,
kerapatan pembawa muatan minoritas injeksi lebih rendah dibandingkan dengan
kerapatan pembawa muatan mayoritas, jadi nn @ nno. !engan kondisi ini subtitusi
persamaan / ke persamaan B akan memberikan kerapatan elektron pada perbatasan
daerah deplesi pada sisi tipe-p (+ @ -dp) sebagai&
np=npo eqV/ kT
(:)
atau
npnpo=npo(eqV
kT1) (;)
untuk hal yang sama kita peroleh
pn=pno eqV/ kT
(
-
7/25/2019 Sambungan Pn
17/21
pnpno=pno(eqV
kT1)e1(xdx)/!p ()
dimana p@ Dpp adalah panjang diusi lubang (pembawa minoritas) pada daerah
tipe-n. Pada + @ dnberlaku
Jn(dn)=q Dnd npdx
dp=q Dn npo
!n(e
qV
kT1) ()
hal yang sama untuk daerah tipe-p diperoleh
npnpo=npo(eqV
kT1)e(x+dp)/!p (/)
!an
Jn(dp)=q D nd npdxdp=
q Dn npo!n
(eqVkT1) ()
!imana n @ Dnn adalah panjang diusi electron. Pembawa muatan
minoritas (persamaan dan /) diperlihatkan pada bagian tengah gambar 1. Pada
graik terlihat terjadinya rekombinasi antara pembawa muatan minoritas terinjeksi
dengan pembawa muatan mayoritas. 2rus lubang dan electron diperlihatkan pada
gambar 1 bagian bawah. 8esarnya arus lubang dan elektron pada perbatasan
berturut-turut diberikan oleh persamaan dan . 2rus diusi lubang mengalami
penurunan secara eksponensial pada daerah tipe-n dengan panjang diusi sebesar p,
dan arus diusi electron mengalami penurunan secara eksponensial pada daerah tipe-p
dengan panjang diusi sebesar n.
-
7/25/2019 Sambungan Pn
18/21
Gambar 12. !istribusi pembawa muatan minoritas terinjeksi dan arus electron
dan arus lubang& a) Panjar maju dan b) Panjar mundur
8esarnya arus total adalah konstan dan merupakan jumlah arus lubang dan arus
elektron (persamaan dan )&
J=Jp(dn )+Jn (dp )=Js(eqV
kT1) (B)
!engan
-
7/25/2019 Sambungan Pn
19/21
Js=q DPpn0
!P+
q Dn npo
!n
(:)
!imana 6s adalah kerapatan arus jenuh. Persamaan B adalah bentukpersamaan diode ideal. Karakteristik arus tegangan ideal diperlihatkan pada gambar
1. Pada bagian panjar maju dengan panjar positi pada bagian tipe-p, untuk
k'34, kenaikan arus berharga konstan seperti diperlihatkan pada gambar 1
-
7/25/2019 Sambungan Pn
20/21
Gambar 13.Karakteristik ideal arus-tegangan& a) !alam skala linier dan b) !alam
skala semilogaritmik.
DA/*A0 PUS*A$A
2nonymous. 'anpa 'ahun. 2plikasi 'enaga Surya (online).
http://www.panelsurya.com/index.php/id/home/aplikasi-tenaga-surya,
diakses tanggal < Hktober
-
7/25/2019 Sambungan Pn
21/21
Straw, 9ony.