pertemuan 2.2

ELEKTRONIKABab 2. SemikonduktorDR. JUSAK

ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA

KonduktorKonduktor adalah sebuah bahan/elemen

yang mempunyai kemampuanmenghantarkan listrik.

Salah satu contoh bahan koduktor adalahtembaga. Nukleus atom tembagaterdiri dari 29 proton (bermuatanpositif) dan 29 elektron (bermuatannegatif) yang mengelilingi nukleusdalam orbit distinct (shells)

2

+29- - --

-

-- -

- -

-

-

-

-

-

--

- -

-

-

--

-

-

-

-

--

Inti atom Tembaga (Cu)


Orbit StabilNukleus positif (lihat gambar di atas) menarik elektron planetary. Diimbangi dengan gerak melingkar dari elektron menyebabkanelektron tidak jatuh ke dalam nukleus.

Orbit yang lebih besar dari elektron akan mengalami gaya tarik yang lebih kecil dari nukleus. Pada orbit ini elektron berjalan lebih lambatdan menghasilkan kekuatan centrifugal yang sedikit.

Dalam elektronik semua masalah ada pada orbit terluar yang disebutorbit valensi. Orbit ini mengontrol kemampuan elektrikal atom.

3


Orbit ValensiUntuk menekankan pentingnya orbit valensi, kita definisikan inti sebuah atom terdiri darinukleus dan semua orbit bagian dalam.

Sebuah atom tembaga, intinya berupa nukleus(+29) dan elektron pada tiga orbit pertama (-28). Ini berarti inti atom tembaga mempunyaimuatan (net charge) +1. Elektron valensitembaga berada pada orbit ke-4 dari inti yang mempunyai net charge -1 dan karenanyatarikan ke dalam orbit valensi sangat kecil.

4

+1

-

Orbit valensi atom Tembaga (Cu)


Elektron BebasKarena daya tarik-menarik antara inti dan valensi elektron sangatlemah, maka sebuah dorongan lemah dapat dengan mudahmengeluarkan elektron valensi dari inti atom tembaga. Sehinggaelektron valensi pada tembaga disebut juga sebagai elektron bebas.

Jadi elektron bebas adalah sebutan bagi elektron valensi yang dapatdengan mudah mengeluarkan elektron-elektronnya dari inti atom.

Inilah sebabnya, tembaga disebut sebagai konduktor, karena electron dapat bergerak dari satu atom ke atom lain dengan tegangan yang kecil. Perpindahan electron menyebabkan adanya arus listrik.

5


SemikonduktorKonduktor terbaik (emas, perak, tembaga) mempunyai satu elektronvalensi, sedang isolator terbaik mempunyai delapan elektron valensi.

Semikonduktor adalah sebuah elemen yang mempunyai kemampuanmelewatkan listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktorterbaik mempunyai empat elektron valensi.

6


Contoh Bahan SemikonduktorGermanium

Merupakan salah satu contoh semikonduktor dan mempunyai empatelektron valensi. Tetapi bahan yang sangat baik untuk semikonduktor inimempunyai kekurangan yang fatal yaitu yaitu arus balik yang sangat besar.

Silikon

Silikon merupakan elemen yang banyak di dunia selain oksigen. Selain itubanyak keunggulan silikon dibandingkan germanium sebagai bahansemikonduktor. Sehingga silikon dijadikan pengganti germanium.

7


SilikonSebuah atom silikon mempunyai 14 proton dan 14 elektron. 2 elektron di orbit pertama, 8 elektron di orbit kedua dan 4 elektron sisanya di orbit valensi.

Inti atom silikon mempunyai muatan netto +4, 14 proton dalam nukleus dan10 elektron dalam dua orbit pertama.

8

+14- - --

-

-- -

- -

-

-

-

- +4

-

-

-

-

Inti atom Silikon (Si)


Kristal SilikonKristal silikon adalah sebuah bentuk hasilbergabungnya atom-atom silikon menjadisatu kesatuan yang membentuk ikatankovalen.

Dengan bergabungnya atom-atom silikon, masing-masing atom membagi 4 elektronvalensinya dengan 4 atom yang berdampingan. Sehingga setiap elektrondapat memiliki 8 elektron dalam orbit valensi.

9

-

- -

- --

-

-

-

-

-

- -

--

-

-

--

-

Inti atom Kristal Silikon


Penyatuan ValensiKetika orbit valensi mempunyai 8 elektron dan hanya dapat diisioleh tidak lebih dari 8 elektronmaka terjadilah penyatuan valensi.

Delapan elektron dalam orbit valensi menghasilkan sebuahstabilitas kimia yang mengakibatkan bahan silikonmenjadi padat.

10

Ikatan kovalen pada Silikon


HoleKetika temperatur ambient (temperatur disekitar benda) dibawahtemperatur mutlak nol (-273oC), energi di dalam udara menyebabkanatom-atom dalam kristal bergetar.

Jika temperatur ambient lebih tinggi maka getaran menjadi lebih besar. Getaran dapat menyebabkan elektron valensi bergerak menuju ke orbit yang lebih besar (lihat gambar). Elektron ini disebut elektron bebas.

11

Terlepasnya elektron dari orbit valensi ini menimbulkankekosongan yang disebut hole. Hole ini bertingkah sepertisebuah muatan positif, sebab elektron yang hilangmemproduksi ion positif.


Hole (2)Hole yang timbul akan menarik danmenangkap elektron yang ada di sekitarnya. Adanya hole inilah yang membedakan karakteristiksemikonduktor dan konduktor.

Namun, jumlah hole yang ditimbulkanakibat energi panas dalam temperaturruang hanya sedikit. Karena itu untukmenambah jumlah hole diperlukanpenambahan bahan lain (dope) padaSilikon.

12

-

- -

- --

-

-

-

-

-

- -

--

-

-

--

-

-


Semikonduktor IntrinsikSemikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni, yang mana setiapatom di dalam kristal adalah atom silikon.

Dalam suhu ruang sebuah silikon kristal bertingkah seperti isolator karenahanya memiliki beberapa elektron bebas dan hole yang dihasilkan olehenergi panas.

13


Aliran Elektron Bebas dan HoleGambar di samping menunjukkan sebuahkristal silikon diantara piringan metalikbermuatan. Asumsikan bahwa energipanas telah memproduksi sebuahelektron bebas dan sebuah hole.

Elektron bebas yang berada di orbit besarawalnya berada di sebelah kanan kristal. Elektron akan ditolak eleh piringannegatif dan bergerak ke kiri dari satuorbit ke orbit yang lain sampai kepiringan positif.

14

- - - - - -

- - - - - -

- - - - - -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-----------------

A

B

C D

E

F


Aliran Elektron Bebas dan Hole (2)Perhatikan hole pada gambar di atas, hole ini akanmenarik elektron valensi di titik A. Saat elektron di A bergerak ke kiri, menimbulkan hole baru yang akanmenarik elektron valensi di sebelah kanannya. Dalam hal ini elektron valensi bergerak mengelilingigaris edar seperti ditunjukkan anak panah. Hal iniberarti pula hole bergerak pada arah yang berlawanan (A-B-C-D-E-F) sama seperti muatanpositif pada konduktor. Jadi hole bergerakberlawanan arah dengan arah gerak elektron.

15


Aliran Elektron Bebas dan Hole (3)Gambar di atas menunjukkan sebuahsemikonduktor intrinsik dengan jumlah elektronbebas dan hole yang sama akibat energithermal.

Pemasangan baterai akan memaksa elektronbebas bergerak ke kiri dan hole ke kananmenuju baterai pada kutub positif dan negatif.

Di pihak lain elektron-elektron dari kutub negatifbaterai akan bergerak menuju sisi kanan kristal. Disini berarti terdapat dua aliran, aliran elektronbebas dan aliran hole.

16

_ _ _ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + + + +


Penyuntikan (Doping) SilikonSalah satu cara untuk menambah daya konduksisemikonduktor adalah dengan menyuntik(doping).

Hal ini dilakukan dengan menambahkan atom-atom lain ke dalam kristal intrinsik (murni) untukmerubah daya konduksi elektrikalnya. Semikonduktor yang telah didoping ini disebutsemikonduktor ekstrinsik.

17


Dua Jenis Penyuntikan SilikonMenambah elektron bebas dengan dopping atom pentavalen(memiliki 5 elektron valensi), misal : arsenic, antimony, danphosphorus.

Menambah jumlah hole dengan doping atom yang memiliki 3 elektron valensi, misal : aluminium, boron, dan gallium.

18


Semikonduktor EkstrinsikBerdasarkan 2 jenis doping seperti dijelaskan di atas, makaada 2 macal semikonduktor ekstrinsik, yaitu semikonduktortype-𝑛 dan type-𝑝.

Type-𝑛

Silikon yang didoping dengan atom pentavalen (memilikikelebihan elektron) dinamakan semikonduktor type-𝑛(negatif).

Elektron-elektron bebas dinamakan pembawa mayoritas danhole-hole dinamakan penghantar minoritas.

19


Semikonduktor Ekstrinsik (2)Pada semikonduktor type-𝑛, jumlah elektron bebas lebih banyakdaripada jumlah hole. Apabila tegangan diberikan, maka electron bebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan.

20


Semikonduktor Ekstrinsik (3)Type-𝑝

Silikon yang didoping dengan atom trivalen(memiliki kelebihan hole) dinamakansemikonduktor type-p (positif).

Hole-hole dinamakan pembawa mayoritas danelektron-elektron bebas dinamakan pembawaminoritas.

21


Semikonduktor Ekstrinsik (3)Pada semikonduktor type-𝑝, jumlah hole lebih banyak daripadajumlah electron bebas. Apabila tegangan diberikan, maka elektronbebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan. Namunkarena jumlah elektron bebas sangat sedikit, maka aliran elektronhamper tidak membawa dampak apa-apa bagi rangkaian.

22


Dioda Tak Bias

Pada dasarnya sebuah lempeng semikonduktor tipe-𝑛 atau tipe-𝑝berfungsi seperti sebuah resistor karbon.

Tetapi ketika sebuah kristal merupakan perpaduan setengahnyaberupa semikonduktor tipe-𝑝 dan setengahnya lagi tipe-𝑛, makamuncullah sesuatu yang baru.

Batas antara tipe-𝑛 dan tipe-𝑝 disebut sambungan pn. Dari sinilahawal munculnya dioda, transistor, dan rangkaian terpadu (IC).

23


Dioda Tak Bias (2)Sebuah silikon kristal yang diinjeksi dengan atom trivalenmenghasilkan satu hole. Dapat digambarkan sebagai sebuahlempeng semikonduktor tipe-𝑝 (lihat gambar sebelah kiri), tandaminus dalam lingkaran menunjukkan atom trivalen dan tanda plus adalah hole dalam orbit valensi. Di sebelah kanan adalahsemikonduktor tipe-𝑛 dengan atom pentavalen (tanda plus dalamlingkaran) dan elektron bebas dalam orbit valensi.

Masing-masing lempeng semikonduktor secara elektrikal adalahnetral sebab jumlah plus dan minus sama.

24


Dioda Tak Bias (3)Semikonduktor tipe-𝑝 sebelah kiri dan semikonduktor tipe-𝑛 sebelahkanan.

25

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

p

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

n


Dioda Tak Bias (4)Bila dua kristal semikonduktor tipe-𝑛 dan tipe-𝑝 digabungkan akandihasilkan kristal tunggal dengan dua tipe. Tipe-𝑛 di satu sisi dan tipe-𝑝 di sisi lain.

Sisi bertemunya dua tipe ini disebut sebagai sambungan 𝑝𝑛. Dan darisinilah muncul istilah dioda yang merupakan sigkatan dari dua elektroda, nama lain dari 𝑝𝑛 kristal.

26

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

p

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

n


Depletion Layer (Lapis Deplesi)Ketika lapisan tipe-𝑝 dan tipe-𝑛 disambungkan, maka elektron-elektron bebas pada sisi 𝑛 cenderung berpencar ke segala arah danbeberapa melewati sambungan. Ketika elektron memasuki daerah 𝑝, elektron bebas jatuh ke dalam hole. Karena begitu banyaknya hole, maka elektron yang memasuki daerah p akan memiliki waktu hiduppendek.

27

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

-+

-+

-+

-

ION

+ +-

+-

+-

+ +-

+-

+-

+ +-

+-

+-


Lapisan DeplesiSaat elektron meningggalkan daerah 𝑛, ia meninggalkan atom pentavalen menjadi sebuah ion positif. Sedang atom trivalen di sisi 𝑝yang menangkap elektron menjadi ion negatif. Ion-ion ini tetapdalam struktur kristal karena adanya covalent pengikat.

Masing-masing pasangan ion negatif dan ion positif dalamsambungan disebut dipole. Dipole berarti bahwa sebuah elektrondan sebuah hole telah terambil. Karena terbentuknya sejumlahdipole maka daerah dekat sambungan pembawa menjadi kosongdan disebut sebagai lapisan deplesi.

28


Barrier Potential (Tegangan Penghalang)

Masing-masing dipole mempunyai medan listrikantara ion positif dan negatif. Hal inimenyebabkan jika ada elektron bebas yang memasuki daerah deplesi akan didorongkembali ke tempat asalnya.

Medan listrik ini sama dengan perbedaanpotensial dan disebut sebagai TeganganPenghalang. Pada temperatur 25oC, besarnyahambatan potensial ini 0,3V untuk diodagermanium dan 0,7V untuk dioda silikon.

29


Dioda Bias MajuDioda di bias maju (forward bias) dihasilkan dari dioda yang dihubungkan dengan sumber DC, dimana kutub positif sumberdihubungkan dengan elemen tipe-𝑝 dan kutub negatif sumberdihubungkan dengan elemen tipe-𝑛.

Tegangan dari baterai akan mendorong hole-hole dan elektron-elektron bebas pada dioda menuju sambungan.

Jika tegangan baterai lebih besar dari hambatan potensial dioda, menyebabkan elektron bebas mempunyai cukup energi untukmelintasi daerah deplesi dan bergabung dengan hole.

30


Dioda Bias Maju (2)Setelah bergabung dengan hole maka elektron menjadi elektronvalensi. Elektron valensi ini akan terus bergerak ke kiri dan akanmeninggalkan dioda menuju kutub positif baterai. Hal ini berarti hole baru akan muncul dan elektron dari kutub negatif baterai akan masukdioda, begitu seterusnya.

31


Dioda Bias MundurDioda dibias mundur (reverse bias) bila kutub positif bateraidihubungkan dengan elemen tipe-𝑛 dioda dan kutub negatif bateraidihubungkan dengan elemen tipe-𝑝 dioda.

32

Kutub positif baterai akan menarik elektronbebas dan kutub negatif akan menarik hole menjauhi lapisan deplesi. Jika teganganreverse meningkat maka lapisan deplesimenjadi bertambah lebar.


Dioda Bias Mundur (2)Pada saat lapisan deplesi telah mencapaikestabilan. Arus balik dalam kapasitas kecilmengalir. Arus balik ini disebut arussaturasi.

Arus balik ini sangat kecil, sehingga di dalam aplikasi kita tidak terlalumemperhatikannya.

Jadi dapat disimpulkan, pada saat dibiasmundur arus dalam dioda mendekati nol.

33

Pengukuran hambatan dioda dengan Ohm-Meter


Tegangan Patah (Breakdown Voltage)Jika tegangan bias mundur pada dioda terus ditingkatkan, maka padaakhirnya akan sampai pada tegangan patah dioda. Umumnyategangan patah ini sebesar 50V.

Saat tegangan patah tercapai, sebagian besar pembawa minoritastiba-tiba muncul dalam lapisan deplesi. Sehingga dioda tak ubahnyamenjadi sebuah konduktor.

Pembawa minoritas ini diproduksi oleh efek longsoran yang terjadiakibat tegangan balik yang sangat tinggi.

34


Tegangan Patah (2)

Gambar di atas menunjukkan hal yang terjadi pada lapisan deplesi. Bias balikmemaksa elektron bergerak ke kanan. Selama bergerak, elektronmemperoleh kecepatan.

Arus balik menjadi lebih besar, elektron bergerak makin cepat. Jika elektronini mempunyai cukup energi, ia dapat menumbuk dan menggeser elektronvalensi dalam atom pertama ke orbit yang lebih luas.

Akibatnya terdapat dua elektron bebas. Jika ini berlangsung terus makajumlah pembawa minoritas meningkat dan dioda menjadi rusak.

35

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

p n

V

pertemuan 2.2

Documents