makalah bahan semikonduktor

17
2. TIPE SEMIKONDUKTOR Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Sedangkan berdasarkan pergerakan pembawa muatan dalam semikonduktor ada tiga cara yaitu: 1. Eksitasi elektron (semikonduktor instrinsik), 2. Impurity (Semikonuktor ekstrinsik), dan 3. Semikonduktor nonstoikiometri. 2.1. 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 Gambar 2.1.1. Struktur Kristal 2 dimensi Kristal Si

Upload: fajar-muhammad

Post on 15-Jan-2016

175 views

Category:

Documents


14 download

DESCRIPTION

abc

TRANSCRIPT

Page 1: makalah bahan semikonduktor

2. TIPE SEMIKONDUKTOR

Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis,

yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Sedangkan berdasarkan pergerakan pembawa

muatan dalam semikonduktor ada tiga cara yaitu:

1. Eksitasi elektron (semikonduktor instrinsik),

2. Impurity (Semikonuktor ekstrinsik), dan

3. Semikonduktor nonstoikiometri.

2.1. 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

Gambar 2.1.1. Struktur Kristal 2 dimensi Kristal Si

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 tori pita energi,

pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong.

Page 2: makalah bahan semikonduktor

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

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

Gambar 2.1.2. Macam-macam nilai Energi gap

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. Sekarang, kedua pita terisi

sebagian, dan daat menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik.

Gambar 2.1.3. Elektron menyeberangi celah energi menuju pita konduksi sehingga terjadi hole pada pita valensi

Pada Gambar 2.1.2. terlihat energi gap untuk C (intan), Si, Ge, dan Sn. Jumlah pembawa

muatan dalam bahan tersebut dalam satu golongan semakin kebawah akan semakin meningkat,

akibatnya konduktivitas pun akan meningkat. Konduktivitas ini merupakan sifat dari bahan dan

tidak ditimbulkan oleh ketidakmurnian (impurity). Oleh karena itu disebut semikonduktor

intrinsik.

Pada semikonduktor intrinsik, untuk setiap elektron yang mengalami kenaikan energi ke level

pita konduksi akan meninggalkan kekosongan elektron pada salah satu dari ikatan kovalennya.

Dibawah pengaruh medan listrik, posisi kehilangan elektron pada kisi kristal bisa digambarkan

sebagai gerakan elektron valensi yang lain yang secara berulang akan mengisi kekosongan ini.

Proses ini bisa dijelaskan dengan memperlakukan daerah yang kehilangan elektron ini sebagai

partikel yang bermuatan positif atau disebut juga hole. Hole dianggap mempunyai muatan sama

Page 3: makalah bahan semikonduktor

dengan elektron tetapi dengan tanda yang berlawanan (+1,6 X 10-19C). Sehinnga dengan adanya

medan listrik, elektron yang tereksitasi dan hole bergerak saling berlawanan arah.

Karena ada dua pembawa muatan (elektron bebas dan hole) pada semikonduktor intrinsik,

maka rumus konduktivitas menjadi:

dimana: p = jumlah hole per meter kubik

n = jumlah elektron per meter kubik

μh = mobilitas hole

μe = mobilitas elektron

Untuk semikonduktor intrinsik:

Sehingga :

Gambar 2.1.4. Model konduksi listrik pada semi konduktor intrinsik silikon. (a) sebelum

eksitasi. (b) dan (c) setelah eksitasi (elektron bergerak karena medan listrik).

Page 4: makalah bahan semikonduktor

2.2. Semikonduktor Ekstrinsik

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

dinamakan semikonduktor ekstrinsik. 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.

Dalam aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja,

atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping ketidakmurnian ke dalam

semikonduktor.Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n,

semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan.

Tipe – n

Jika ke dalam semikonduktor transisi (intrinsik) ditambahkan dengan atom dari golongan

V, maka dalam semikonduktor tersebut akan terdapat elektron yang berlebih, sehingga

elektron yang berlebih tersebut akan bertindak sebagai donor contohnya adalah SiP, GeAs,

ZnO dan yang lainnya. Oleh karena itu semikonduktor yang memiliki elektron yang

berlebih dikenal dengan semikonduktor tipe-n.

Page 5: makalah bahan semikonduktor

Gambar 2.2.1. Semikonduktor tipe-n

Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama hole

karena generation akibat agitasi termal. Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan

hole sebagai pembawa muatan minoritas. Jumlah elektron pada pita konduksi akan melebihi

jumlah hole (n >> p), sehingga rumus konduktivitas listrik menjadi:

Tipe – p

Efek yang berlawanan akan dihasilkan apabila silikon atau germanium mendapat atom

pengotor dengan jumlah elektron valensi tiga. Satu dari empat ikatan kovalen pada silikon atau

germanium akan kekosongan elektron, dimana kekurangan ini akan ditandai dengan adanya hole.

Hole ini akan diisi oleh elektron dari atom yang berdekatan sehingga hole akan berpindah ke

tempat elektron yang pindah tersebut berada. Pertukaran posisi elektron dan hole ini ditunjukkan

oleh gambar . Hole yang bergerak dianggap mempunyai keadaan tereksitasi dan akan

mengakibatkan proses konduksi

Gambar 2.2.2. Semikonduktor tipe-p

Hole sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama elektron bebas

karena generation akibat agitasi termal. Hole menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron

bebas sebagai pembawa muatan minoritas. Untuk semikonduktor ekstriksik baik tipe-n

maupun tipe-p konduktivitas ekstrinsik tidak akan naik terus menerus dengan kenaikan

temperatur dan akan dijumpai pada suatu keadaan dimana nilai konduktivitanya

konstan. Hal itu diakibatkan karena proses pengurasan donor dan penjenuhan akseptor.

Page 6: makalah bahan semikonduktor

2.3. Semikonduktor nonstoikiometri

Pada keadaan ini hampir mirip dengan semikonduktor ekstrinsik, hanya saja disebabkan oleh

ketidakmurnian hal yang lainnya yaitu pengaruh dari cacat sebagai hasil dari stoikiomeri.

Elektron dan hole semikonduktor nonstoikiometri tereksitasi dalam pita konduksi dan valensi

sebagai hasil reduksi dan oksidasi. Pada cacat yang diakibatkan oleh stoikiomerti kristal

akan menimbulkan celah pita terlarang antara pita valensi dan konduksi. Celah pita

terlarang tersebut akan bertidak sebagai perangkap elektron atau hole. Elektron dan hole

yang berada pada celah pita terlarang dapat loncat ke pita konduksi jika mendapat energi

tambahan walaupun energinya lebih kecil dari energi gap (Reka Rio, 1999)

3. RESISTIVITAS LISTRIK DARI LOGAM

Resistivitas listrik dipengaruhi oleh vibrasi termal, impuritas/pengotoran dan deformasi

plastis. Secara matematis ditulis sebagai:

dimana notasi t = Vibrasi termal, i = impuritas, d = deformasi

Resistivitas karena meningkatnya temperatur, dirumuskan dengan:

dimana : ρ0, a = konstan

T = temperatur

Resistivitas karena impuritas:

Ci = Konsentrasi impuritas

A = konstanta tidak tergantung komposisi

Resistivitas karena deformasi.

Page 7: makalah bahan semikonduktor

Deformasi plastik akan menaikkan resistivitas karena kenaikan jumlah dislokasi oleh

penyebaran elektron. Efek deformasi terhadap resistifitas diperlihatkan oleh gambar 3.

Gambar 3.1 Resistivitas listrik vs temperatur untuk bahan tembaga dan tiga paduan tembaga-nikel yang salah satunya mengalami deformasi. Kontribusi termal, impuritas dan deformasi terhadap resistivitas ditunjukkan pada -100°C.

Gambar 3.2. Resistifitas listrik pada temperatur ruang vs komposisi pada paduan tembaga-nikel.

4. MENGUKUR CELAH ENERGI DENGAN METODE OPTIK

Sifat konduktivitas dan konsentrasi ditentukan oleh faktor celah energi dengan

temperatur.

Page 8: makalah bahan semikonduktor

Ketika perbandingan ini besar, konsentrasi sifat instrinsik akan rendah dan konduktivitasnya juga

akan rendah. Nilai terbaik dari celah energi diperoleh dari penyerapan optik. Celah energi (Eg)

merupakan selisih antara energi terendah pada pita konduksi (Ek) dengan energi tertinggi pada

pita valensi (Ev) . Atau secara matematis dapat ditulis:

Gambar 4.1. Pita energi pada semikonduktor

Untuk mengukur besarnya celah energi (Eg) dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu

penerapan langsung dan penyerapan tidak langsung.

Penyerapan langsung

Pada penyerapan langsung ini, elektron mengabsorpsi foton dan langsung meloncat ke

dalam pita konduksi. Besarnya celah energi (Eg) sama dengan besarnya energi foton

(gelombang elektromagnetik). Secara matematis dapat dituliskan :

Dimana ω merupakan frekuensi anguler dari foton (gelombang ekektromagnetik).

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari diagram berikut.

Page 9: makalah bahan semikonduktor

Gambar 4.2. Penyerapan langsung

Penyerapan tidak langsung

Pada penyerapan tidak langsung, elektron mengabsorpsi foton sekaligus 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, dapat ditulis

Dimana tanda +- menunjukan bahwa dalam proses penyerapan tidak langsung ini keberadaan

fonon ada yang dipancarkan (+) atau diserap (-). Jika digambarkan, akan diperoleh gambar

sebagai berikut.

Gambar 4.3. Penentuan celah energi dengan penyerapan tidak langsung

Page 10: makalah bahan semikonduktor

5. PERSAMAAN GERAK ELEKTRON DALAM PITA ENERGI

Sekarang kita akan menentukan persamaan gerak untuk sebuah elektron dalam pita energi.

Kecepan kelompok untuk beberapa fungsi gelombang dengan vektor gelombang k adalah :

dengan ω merupakan frekuensi sudut. Jika frekuensi sudut ini dihubungkan dengan energi dari

fungsi gelombang Є adalah . Dengan mensubstitusi kedalam persamaan untuk

kecepatan grup maka akan diperoleh:

Pengaruh kristal di dalam gerak elektron diberikan dalam hubungan dispersi Є(k). Usaha yang

dilakukan oleh medan listrik pada elektron adalah:

Pada saat belajar Matematika Fisika, kita mengetahui bahwa δЄ dapat ditulis dalam bentuk

Dengan mensubstitusi persamaan 5) ke persamaan 6), maka kita mendapatkan

Page 11: makalah bahan semikonduktor

Dengan membandingkan persamaan 6) dan persamaan 8) maka

Persamaan 9) diatas merupakan persamaan untuk gaya listrik yang dialami oleh elektron karena

berada dalam medan listrik E . Akhirnya diperoleh:

Inilah persamkaan gerak elektron dalam pita energi.

6. MASSA EFEKTIF

Pada pembahasan sebelumnya, kita telah mengetahui persamaan gerak elektron dalam pita

energi dan kecepatan grup yang dihubungkan dengan energi. Sekarang kita akan mengetahui

berapa besarnya massa efektif. Massa efektif elektron merupakan massa elektron dalam pita

energi ketika mengalami gaya atau percepatan. Besarnya massa efektif elektron ditentukan dari

persamaan gerak yang telah dibahas sebelumnya. Adapun langkah-langkah menentukan

besaarnya massa efektif adalah sebagai berikut.Dari persamaan sebelumnya kita tahu bahwa

perumusan untuk kecepatan elektron adalah

Page 12: makalah bahan semikonduktor

Apabila kecepatan grup ini kita turunkan terhadap waktu, maka akan kita peroleh

Atau dapat dituliskan dalam bentuk

Dari persamaan ini, ruas kiri merupkan percepatan, dan ruas kanan merupakan sesuatu dikalikan

gaya F. Berdasarkan hukum II Newton kita ketahui bahwa:

Sehingga dari persamaan tersebut didefinisikanlah massa efektif yang besarnya

Inilah persamaan yang menunjukkan definisi massa efektif

7. MOBILITAS ELEKTRON

Mobilitas adalah besarnya kecepatan drift per satuan energi:

Mobilitas didefinisikan berharga positif untuk elektron maupun hole. Meskipun kecepatan

driftnya berlawanan. Dengan menuliskan μe atau μh untuk mobilitas elektron dan hole kita dapat

Page 13: makalah bahan semikonduktor

membedakan antara μ sebagai potensial kimia dan sebagai mobilitas. Dalam semikonduktor

intrinsik ideal, mobilitas ditentukan dengan tumbukan diantara elektron dan fonon.Konduktivitas

elektrik adalah jumlah kontribusi elektron dan hole:

dimana n dan p adalah konsentasi elektron dan hole. Perubahan kecepatan pada muatan q telah

ditemukan menjadi dimana: