makalah statistika semikonduktor fix

7/17/2019 Makalah Statistika Semikonduktor Fix

http://slidepdf.com/reader/full/makalah-statistika-semikonduktor-fix 1/14

STATISTIK SEMIKONDUKTOR

A. Pengertian Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor . Semikonduktor merupakan elemen

dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC

(integrated circuit ). Disebut semi atau setengah, karena bahan ini memang bukan

konduktor murni.

Semikonduktor merupakan material zat padat yang memiliki harga

resistivitas antara 10! "10# $.%m. Semikonduktor disebut &uga sebagai bahan

setengah penghantar listrik. 'ahan semikonduktor memegang peranan penting

dalam teknologi modern. ampir semua komponen dalam peralatan elektronik

seperti mikroprosessor, ICIC, dioda, laser, display, dan sebagainya adalah

menggunakan bahan semikonduktor. Setiap bahan semikonduktor memiliki

karakteristik isis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus meru&uk pada

karakteristik isisnya tersebut.

Sebagai %ontoh untuk aplikasi sensor sinar ultraviolet yang tingkat

sensitiitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki energi gap

yang %ukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar

*,+ e. Dengan energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk

meme%ahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah &alur dari &alur valensi ke

&alur konduksi. -ita bisa &uga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor

ultraviolet namun divais ini kurang sensiti dibandingkan bahan galium nitrida.

B. Bahan Pembuat Semikonduktor

ada a/al perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali

dieksplorasi adalah germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang

banyak diteliti untuk bahan baku pembuatan divais elektronik maupun

optoelektronik adalah silikon dengan pertimbangan bahan silikon %ukup

melimpah di alam ini dan harganya relati murah.

1

http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktivitas_listrik

http://id.wikipedia.org/wiki/Insulator


http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Konduktor_(material)&action=edit&redlink=1




http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktivitas_listrik



Selain silikon material lain yang banyak dipela&ari dan diteliti adalah

material paduan dari golongan III atau III seperti dalam tabel periodik di

ba/ah baik binary (paduan ! unsur) maupun ternary (paduan * unsur) seperti

n, 2a3, 4l3, In3, 2a4s, 2aSb, 4l2a3, 4l2aSb, 2a34s dan sebagainya

dimana materialmaterial paduan tersebut masingmasing memiliki %iri khas dan

keunikan tersendiri baik dari siat listrik maupun siat optiknya yang aplikasinya

dapat disesuaikan dengan karakteristik isisnya masingmasing.

Tabel 1. Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor

Gambar 1. Bahan pembuat semikonduktor berbentuk wafer

2



C. Karakteritik Bahan Semikonduktor

1. Semikonduktor elemental terdiri atas unsurunsur pada sistem periodik

golongan I 4 seperti silikon (Si), 2ermanium (2e) dan -arbon (C).

-arbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk kristal intan.

Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi

sehingga dapat digunakan dengan eekti untuk mengurangi eek

panas pada pembuatan semikonduktor laser.

!. Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senya/a yang

dibentuk dari logam unsur periodik golongan II' dan III4 (valensi !

dan *) dengan non logam pada golongan 4 dan I4 (valensi 5 dan6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 7). Semikonduktor

gabungan III dan misalnya 2a4s dan In, sedangakan gabungan II

dan I misalnya Cd8e dan nS.

Tabel 2. Karakteristik emikonduktor

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik . Salah satu alasan

utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah karena konduktansinya

3

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Bidang_elektronik&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Elektronik

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Bidang_elektronik&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Elektronik



yang dapat diubahubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut

pendonor elektron). Siat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah %ara

terkontrol dengan menambah se&umlah ke%il ketidakmurnian.

D. Mode! Ikatan Atom "ada Bahan Semikonduktor

-ristal semikonduktor tersusun dari atomatom yang letaknya saling

berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal

yang disebut ikatan kovalen. Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di

ba/ah ini digambarkan terbentuknya ikatan kristal pada bahan silikon. adagambar !.a menun&ukkan ilustrasi ikatan kovalen dari atom ilikon pada kondisi

temperatur nol -elvin, untuk kasus ini setiap atom silikon menyumbangkan satu

elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. 4pabila kristal semikonduktor

tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka

penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen,

hal ini dapat membangkitkan pasangan elektronhole dimana elektron tersebut

dapat bebas dari keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan

yang ditinggalkan elektron akan men&adi hole seperti nampak pada gambar !.b.

Gambar 2. Gambaran ikatan ko!alen atom silikon pada kondisi "a# temperatur nol

Kel!in$ "b# pada temperatur di atas nol Kel!in

E. Terbentukn#a Pita Energi

4



Dalam pembahasan mengenai ikatan atom kita lihat bah/a dua atom akan

membentuk ikatan yang stabil &ika kedua atom ber&arak r % yaitu &arak yang

memberikan energi terendah. Dua atom misalnya, setelah membentuk ! yang

stabil, keduanya berada pada &arak keseimbangan r 0 dimana dua elektron dengan

spin berla/anan menempati orbital 1 s. 8ingkat energi elektron yang berperan

dalam pembentukan ikatan akan terpe%ah men&adi dua, sebagaimana diperlihatkan

oleh gambar di ba/ah. Satu kurva akan diikuti oleh terbentuknya ikatan stabil dan

satu kurva lagi menggambarkan situasi yang tidak memungkinkan ter%apainya

ikatan stabil9 dalam hal terakhir ini kedua elektron yang seharusnya berperan

dalam pembentukan ikatan, memiliki spin berla/anan.

Gambar &. 'nergi pada ( 2 sebagai fungsi )arak atom

:ika dua atom berdekatan menyebabkan terpe%ahnya tingkat energi

pertama terpe%ah men&adi dua, maka &ika ada enam atom tingkat energi tersebut

akan terpe%ah men&adi enam (ter&adinya banyak atom hidrogen berdekatan adalah

di sekitar titik beku9 gas hidrogen membeku pada ;!5!,< oC). :ika ada * atom

hidrogen, maka tingkat energi s akan terpe%ah men&adi * . :ika * makin besar

maka perbedaan antara dua tingkat yang berdekatan akan semakin ke%il dan

mendekati kontinyu. -ita katakan bah/a orbital s telah berubah men&adi pita

energi s. 8erbentuknya pita energi bisa ter&adi pada semua orbital. :adi kita

memperoleh pita energi 1 s, ! s, ! p, dan seterusnya, yang ditun&ukkan se%ara

skematis pada gambar di ba/ah.

5



Gambar +. ,ita 'nergi "tanpa skala#

eristi/a ini tentu tidak ter&adi hanya pada atom sa&a, akan tetapi ter&adi

pula pada kumpulan se&umlah besar atomatom yang menyusun padatan. 2e&ala

terbentuknya pita energi inilah yang men&adi dasar dikembangkannya teori pita

energi yang akan kita bahas berikut ini.

$. Pita Energi Semikonduktor

ita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. ita

energi dibedakan men&adi *, yaitu=

1. :alur valensienyebab terbentuknya &alur valensi adalah adanya ikatan atomatom yang

membangun kristal. ada &alur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya

&ika mendapat energi.

!. :alur konduksi

:alur konduksi adalah tempat elektronelektron dapat bergerak bebas karena

pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron

dapat bebas menghantarkan listrik.

*. :alur larangan

:alur larangan adalah &alur pemisah antara &alur valensi dengan &alur

konduksi.

rbitalorbital elektron dalam kristal semikonduktor terbagi dalam dua

kelompok pita energi. ita yang memiliki energi rendah dinamakan pita valensi

sedangkan pita yang memiliki energi tinggi dinamakan pita konduksi. ita valensi

dan pita konduksi dibatasi oleh nilainilai energi yang tidak boleh ditempati

elektron. Daerah terlarang tersebut dinamakan %elah energi. >ebar %elah energi

6



dideinisikan sebagai selisih antara energi terendah dalam pita konduksi dengan

energi tertinggi dalam pita valensi, atau dapat dituliskan=

' g ' c ' !

Dimana=

' g ? lebar %elah pita energi

' c ? energi terendah dalam pita konduksi

' ! ? energi tertinggi dalam pita valensi

4liran muatan listrik dalam bahan semikonduktor ter&adi &ika ada elektron

yang melon%at dari pita valensi ke pita konduksi. Dalam pita valensi, elektron

tidak dapat mengalir bebas dalam logam sehingga mudah mengalir ketika diberi

medan listrik. Dalam pita valensi, elektron tidak dapat mengalir bebas meskipun

diberikan medan listrik yang besar. ada suhu mendekati nol -elvin tidak ada

elektron yang sanggup melon%at dari pita valensi ke pita konduksi sehingga

semikonduktor bersiat isulator. :ika suhu dinaikkan maka ada elektron dari pita

valensi yang melon%at ke pita konduksi. @akin tinggi suhu makin banyak elektron

yang melon%at ke pita konduksi sehingga konduktivitas semikonduktor makin

besar.

-etika elektron melon%at ke pita konduksi maka pita valensi men&adi

kekurangan elektron. >okasi yang ditinggalkan elektron seolah berperilaku

sebagai partikel bermuatan positi. artikel ini dinamakan hole. Dalam bahan

semikonduktor murni, &umlah elektron yang melon%at ke pita konduksi persis

sama dengan &umlah hole yang terbentuk di pita valensi. Dengan demikian, &ika ne

adalah konsentrasi elektron pada pita konduksi dan nh adalah konsentrasi hole

pada pita valensi maka untuk semikonduktor murni terpenuhi=

ne ? nh

'ahan semikonduktor untuk aplikasi industri umumnya bukan

semikonduktor murni, tetapi semikonduktor yang didop dengan atom tertentu.

Doping tersebut menyebabkan ter&adinya perubahan konsentrasi elektron dan hole

yang tidak lagi memenuhi persamaan di atas. :ika atom dopan pada

semikonduktor memberikan sumbangan elektron pada material sehingga men&adi

atom yang bermuatan positi maka dikatakan atom tersebut sebagai donor

7



(pemberi elektron). Sebaliknya &ika atom dopan pada semikonduktor menarik

elektron dari pita valensi sehingga men&adi atom yang bermuatan negati maka

dikatakan atom tersebut sebagai akseptor. :ika &umlah atom donor lebih banyak

dari atom akseptor maka dinamakan semikonduktor tersebut bertipe negati.

Sebaliknya &ika &umlah akseptor lebih banyak daripada &umlah atom donor maka

dinamakan semikonduktor bertipe positi.

-arena elektron adalah ermion maka distribusi elektron pada pita konduksi

memenuhi ungsi distribusi AermiDira%=

f e ( E )=

1

e[ E− μkT ]+1

opulasi elektron pada pita konduksi adalah=

N e=∑CB

f e ( E )

dan &umlah hole pada pita valensi adalah=

N h=∑VB

{1−f e ( E ) }=∑VB

f h ( E )

dengan=

f h ( E )=1−f e ( E )=1−1

e[ E− μ

kT ]+1=

e[ E− μ

kT ]

e[ E− μkt ]+1

=1

e[ μ− E

kT ]+1

Sebuah semikonduktor bersiat sebagai insulator pada temperatur yang

sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersiat sebagai konduktor . al ini

dapat ter&adi karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi

penuh oleh elektron, dan ketika dalam temperatur yang tinggi akan ada ikatan

ikatan yang pe%ah sehingga menyebabkan adanya elektronelektron bebas.

%. Mode! Pita Energi Semikonduktor

Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki se&umlah elektron

valensi pada kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 5.b.),

8



http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktor






keadaan elektron valensi ini memiliki tingkat energi yang besarnya '!. Blektron

valensi ini berkontribusi pada pembentukan ikatan kovalen antara atomatom

penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan keadaan dimana elektron sudah

terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi dengan tingkat energi 'c

(gambar 5.a). 4pabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya dinaikan

maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan

kovalen yang terbentuk. emutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan

elektron bebas yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi 'c.

ada gambar 5.%. diilustrasikan keadaan elektron konduksi dimana setelah

ter&adinya pemutusan ikatan kovalen, elektron valensi pada tingkat energi '! akan

berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat energi 'c. Selisih antara tingkat

energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi %elah pita

"energy gap# dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang

dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.

Gambar /. 0odel pita energi bahan semikonduktor

&. Ti"e Semikonduktorada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) dan elektron berungsi

sebagai pemba/a muatan listrik (pengantar arus). Semikonduktor dibagi dua

berdasarkan &enis muatan pemba/anya, yaitu=

a. Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang belum

disisipkan atomatom lain (atom pengotor)

b. Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah

dimasukkan sedikit ketidakmurnian "doping#. 4kibat doping ini maka

hambatan &enis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor

9



&enis ini terdiri dari dua ma%am, yaitu semikonduktor tipe (pemba/a

muatan hole) dan tipe3 (pemba/a muatan elektron).

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni yang belum

diberikan atom pengotor (impuritas). 4pabila semikonduktor intrinsik ini

dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektronhole dimana elektron

bermuatan negati dan hole dapat dianggap sebagai muatan positi. -onsentrasi

elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi holenya yang

dirumuskan=

ni

2=BT

3e(− EG

kT )

-eterangan=

' G ? energi %elah pita semikonduktor (e)

B ? konstanta bahan (untuk Si ? 1,0710*1 - *%m6)

T ? temperatur (-)

k ? konstanta 'oltzman (7,6!105 e-)

ni E 1010 %m* untuk silikon pada temperatur kamar

Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan

konsentrasi holenya tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan

muatan pemba/a akibat adanya atom pengotor. Sebagai %ontoh pemberian atom

pengotor osor yang memiliki elektron valensi 5. ada semikonduktor silikon

yang bervalensi + akan menyebabkan adanya satu elektron yang tidak

terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat

menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor &enis ini

dinamakan semikonduktor tipen (negati) karena didominasi oleh muatan

pemba/a elektron seperti gambar di ba/ah.

10



Gambar . Kristal silikon yang diberi pengotor fosfor

4pabila kristal silikon diberi atom pengotor boron yang memiliki elektron

valensi * maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena

terdapat satu kekosongan "hole# yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan

demikian muatan pemba/a pada kristal silikon yang telah diberi pengotor boron

akan didominasi oleh muatan positi (hole) sehingga kristal silikon akan bertipep

(positi) seperti gambar di ba/ah.

Gambar . Kristal silikon yang telah diberi atom pengotor boron

11



I. Statitik Semikonduktor

1) 'agian Intrinsik

-onsentrasi dari karier pada bagian intrinsik ditentukan oleh transisi induksi

termal interband.

!) 'agian Bkstrinsik

Seringkali kondisi intrinsik tidak memuaskan. Fntuk doping biasanya tidak

dihitung, sekitar 1015 %m*, &umlah dari pemba/a oleh ketakmurnian %ukup besar

untuk merubah konsentrasi intrinsik pada suhu ruangan. -ontribusi dari

ketakmurnian, pada aktanya pemba/a disuplai oleh eksitasi interband. -etika ini

maka sampel dalam bagian intrinsik.

erbedaan dua tipe dari bagian ekstrinsik dapat dibedakan. ertama ter&adi

ketika konsentrasi donor men&adi besar dari konsentrasi penerima, ketika 3d GG

3a. ada kasus ini konsentrasi dari elektron dievaluasi dengan sedikit memba%a.

-etika energi ionisasi donor %ukup ke%il, semua donor esensialnya terionisasi,

elektron masuk ke pita konduksi.

'. Ti"e Aru (itrik "ada Semikonduktor

-eberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi

karakteristik listrik pada bahan tersebut. 4da dua &enis arus listrik yang ter&adi

pada semikonduktor yaitu arus hanyut "drift# dan arus diusi.

1. 4rus hanyut "drift#

-etika semikonduktor diberi medan listrik ' , maka partikelpartikel

bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan la&u

yang berbanding lurus dengan medan listriknya.

!n -3n ' .......... la&u hanyut elektron! p 3 p ' ............la&u hanyut

dimana=

!n dan ! p ? la&u dari elektron dan hole (%ms)

3n dan 3 p ? mobilitas dari elektron dan hole (%m!.s)

Hapat arus drit untuk elektron adalah= )n 4 n 3n '

Hapat arus drit untuk hole adalah= ) p 4 p 3 p '

Sehingga rapat arus total drit pada semikonduktor adalah pen&umlahan dari

rapat arus drit elektron dengan rapat arus drit hole.

12



)T )n 5 ) p 4 "n 3n 5 p 3 p #' 6 '

-onduktivitas muatan pemba/a pada semikonduktor=

6 4"n 3n 5 p 3 p #

Dan resistivitasnya 7 186

!. 4rus Diusi

4rus diusi ter&adi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pemba/a.

4rus diusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang

memiliki konsentrasi rendah. 4rus diusi akan sebanding dengan gradien

konsentrasi yang dirumuskan=

4rus diusi untuk hole= j P

diff =(+q ) D P(−∂ p

∂ x )=−q D p

∂ p

∂ x

4rus diusi untuk elektron=

jn

diff =(−q ) Dn(−∂ n

∂ x )=+q Dn

∂ n

∂ x

-onstanta 9 , dan 9n adalah konstanta diusivitas dari hole dan elektron

Hapat arus total dalam semikonduktor adalah pen&umlahan dari arus drit dengan

arus diusi yang dirumuskan=Hapat arus total untuk elektron=

jnT =q μnnE+qDn

∂n

∂ x

Hapat arus total untuk hole=

j p

T =q μ p pE−q D p

∂ p

∂ x

DA$TAR PUSTAKA

4bdullah, @ikra&uddin. ,engantar :isika tatistik . !00#. 'andung=enerbit I8'

13



http;88blog.ub.ac.id8bleng282%128%2828teori-semikonduktor8

http;88id.wikipedia.org8wiki8emikonduktor

http;88kambing.ui.ac.id8bebas8!128sponsor8ponsor-

,endamping8,raweda8:isika8%&/+<2%:is-&-g.htm

http;88listrik.)w.lt8Konduktor<2%=solator<2%9an<2%emikondu

http;88www.e-dukasi.net8inde>.php?modscript@cmdBahan<2%Bela)ar80ateri

<2%,okok8!iew@id&&A@uni4&&&1

14

http://blog.ub.ac.id/bleng2/2012/02/26/teori-semikonduktor/

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor

http://kambing.ui.ac.id/bebas/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Fisika/0354%20Fis-3-7g.htm


http://listrik.jw.lt/Konduktor%20Isolator%20Dan%20Semikondu

http://www.e-dukasi.net/index.php?mod=script&cmd=Bahan%20Belajar/Materi%20Pokok/view&id=338&uniq=3331


http://blog.ub.ac.id/bleng2/2012/02/26/teori-semikonduktor/

http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor



http://listrik.jw.lt/Konduktor%20Isolator%20Dan%20Semikondu



makalah statistika semikonduktor fix

Documents