ELEKTRONIKA DASAR I

SEMIKONDUKTOR

OLEH :

Nama: Prisilia Meifi MondigirNim: 11 310 331Kelas: D (PGSBI )

Universitas Negeri ManadoFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamJurusan Fisika2012

SEMIKONDUKTOR

01. Introduksi Semikonduktor: Bahan baku untuk bikin komponen aktif (misalnya dioda, transistor, IC) Yang paling banyak digunakan, silikon; berikut germanium dan galium-arsenida. Umumnya bersifat isolator (pada suhu dekat 0o C)Konduktor (pada suhu kamar) Dua jenis semikonduktor yakni semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.

02. Semikonduktor Intrinsik Atom-atom Si, GeKristal silikon/germanium(Kelompok IV dalam susunan Ikatan kovalenberkala)

SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi

e +AB(a) Susunan atom pada SK silikon intrinsik(b) Atom Si di A mengalami ionisasi

Pada suhu amat rendah ( 0o) semikonduktor intrinsik bersifat sebagai isolator setiap elektron terikat pada atom tak ada muatan bergerak meski diberi medan listrik (tak ada arus walaupun diberi selisih potensial). Pada suhu kamar banyak elektron valensi lepas dari ikatan kovalennya elektron evalensi menjadi elektron bebas oleh eksitasi termal. Makin tinggi suhu kamar, makin banyak elektron valensi lepas. Jika diberi muatan listrik E (beri selisih potensial) elektron bebas bergerak mengalir arus listrik. Makin tinggi T, makin besar I, makin kecil R. Ketika elektron lepas (bebas) oleh eksitasi termal atom mengalami ionisasi. Atom tersebut menjadi ion positif (lihat gambar pada posisi atas Si atau di A). Oleh pengaruh medan listrik, atau A (ion Si di A) dapat menangkap elektron dari atom lainnya (misalnya atom Si di B). Atom A akan dinetralkan dan atom B menjadi ion positif terjadi perpindahan letak muatan positif dari A ke B ini merupakan arus listrik juga.Atom Si yang terionkan dapat dipandang sebagai zarah semu yang bermuatan positif bebas bergerak oleh pengaruh medan listrik. Zarah semu ini disebut lubang (hole).Elektron yang dilepaskan dari ikatan kovalen disebut elektron intrinsik, dan lubang yang terjadi oleh lepasnya elektron intrinsik disebut lubang intrinsik.Kesimpulan: pada semikonduktor intrinsik, aliran listrik disebabkan oleh gerak/perpindahan elektron intrinsik dan lubang intrinsik. Konsentrasi elektron intrinsik dan lubang intrinsik bergantung pada bahan dan suhu. Pada kristal Ge, elektron valensi lebih mudah tereksitasi termik menjadi elektron bebas dapat dijelaskan dengan meninjau pita-pita energi untuk elektron di dalam kristal SK. Pita penting: pita valensi dan pita konduksi, dan celah pita (bandgap) dengan nilai 1,2 eV untuk semikonduktor silikon (ionisiasi mulai pada suhu 400 K) dan 0,78 eV untuk semikonduktor Germanium (ionisasi mulai pada suhu 250 K). Sifat konduksi antara silikon dan germanium amat berbedas.

kosongpita konduksi daerah terlarang

penuhpita valensipenuh berlaku untuk semikonduktor pada suhu 0o K(semua elektron dalam ikatan kovalen)Ek

EgEv

Keadaan pada suhu kamar (elektron yang mengalami eksitasi termal termal menjadi elektron bebas bagaikan meloncat ke pita konduksi). Diperlukan energi 1,2 eV (untuk Si) atau 0,78 eV (untk Ge), untuk masuk. Elektron yang telah berada dalam daerah energi pita konduksi akan bebas bergerak di bawah pengaruh medan listrik E yang diberikan. Gaya listrik pada elektron tersebut: F= eETambahan energi yang didapat: W = F.x = eEx Kebergantungan konsentrasi elektron intrinsik (ni) pada suhu T mengikuti hubungan:ni = AT3/2 e-Wgo/2kT, atau dalam bentuk:ni = AT3/2 exp (-Wgo/2kT)(3.1)Wgo: lebar celah pita pada 0o KIngat statistik MB Konsentrasi pembawa mauatan bebas ni tak berubah dengan waktu, pada hal pembawa bebas terus terbentuk oleh eksitasi termal mengapa? Jawab: adanya rekombinasi antara elektron dan hole tertangkapnya elektron oleh ion silikon (elektron masuk kembali ke dalam ikatan kovalennya elektron jatuh kembali ke lubang dan lubang menjadi tertutup. Ada fenomena lain yang muncul, yaitu pelepasan energi ketika terjadi rekombinasi dapat berubah menjadi getaran atau cahaya dapat diamati pada nyala lampu LED.Peluang/kemungkinan terjadinya rekombinasi nipi (hasil kali banyak elektron bebas dan hole bebas). Makin banyak terjadi elektron dan lubang makin sering terjadinya rekombinasi. Terjadi keadaan mantap (keseimbangan) antara terbentuk dan sinarnya pembawa muatan bebas, sehingga kerapatan pembawa muatan bebas tak lagi berubah dengan waktu.

03. Konduksi dalam Semikonduktor Hubungan kerapatan pembawa muatan bebas dengan sifat konduksi dalam semikonduktor. Ingat: I = (jumlah muatan yang mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu).Gerak muatan tidak lurus karena tumbukan dengan atom-atom dalam kristal.

Bila ada beda potensial timbul medan E elektron dan lubang bergerak dalam arah berlawanan timbul arus listrik dalam arah searah gerak lubang +Kerepatan rata-rata gerak pembawa muatan ini disebut kecepatan hanyut (drift velocity)

E - + A

t

Dalam waktu t: Tersapu volume sebesar At Berpindah pembawa muatan sebanyak nAt Berpindah muatan sebesar qnAt (q = besar muatan tiap pembawa muatan).Jadi arus yang mengalir:

I = Dan rapat arusnya:

J = = (3.2)

Besar arus listrik sama sepanjang batang konduktor juga akan tetap besarnya. Mengapa kecepatan tak bertambah padahal ad gaya medan F yang tetap pada muatan (ingat hukum Newton II: F = ma a = , adalah persepatan yang ditimbulkan oleh gaya F).Jawab: karena ada tumbukan dalam gerak muatan pengaruhnya, analog dengan gerak benda jatuh dalam zat cair kental ada kecepatan terminal yang sebanding dengan gaya berat (v FW). Dengan analogi ini (vterminal analog dengan vhanyut), sehingga:

E = E(3.3)

= mobilitas pembawa muatan bebas, besar besar I besar.Rumus rapat arus (3.2) menjadi:

= ngE atau = E (bentuk hukum Ohm: dari sini dapat diturunkan V = IR, dengan R = dan = hambatan jenis). = nq disebut konduktivitas Elektron dan lubang tidak sama n pKonduktivitas semikonduktor = qnn+ qpp = q(nn+ pp)(3.4a)dengan n = rapat elektron; p = rapat lubangUntuk semikinduktor intrinsik: ni = piUntuk semikonduktor ekstrinsik umum m p. juga bergantung pada suhu.

Contoh: Bahan Gepada 30 oK n = 3900 T: 100-300o K, n = 4,9 x 107T -1,66T: 125-300o K, p = 1,05 x 109T-2,33

Bahan Sipada T 30o K n = 1350 ; p = 1480 T: 160-400oK n = 2,10 x 109T -2,5T : 150-400oK p = 2,3 x 109T -2,7

04. Semikonduktor Ekstrinsik Ada sisipan atomSemikonduktor Intrinsik Semikonduktor ekstrinsikLainnya sisipan atom akseptorSisipan atom(misalnya Ga)

Semikonduktor tipe-pDonor (misalnya As)

Semikonduktor tipe-n

Valensi 5Valensi 3 (Gol. V) (Gol. III)

4 elektron masuk dalam 3 elektron masuk dalamikatan kovalen, 1 elektronikatan kovalen, 1 tempatbebas kosong

Disebut elektron ekstrinsik hole (lubang)(kerapatannya ne) ekstrinsik (rapatnya e)

Semikonduktor tipe-nSemikonduktor tipe-p

SiSiSiSiGaSiSiSiSiSiSiSiSiAsSiSiSiSi

+

Atom donor menjadi Elektron ekstrinsikKosong, menjadi lubangion positif (berlaku(bebas tak terlihat)intrinsiksebagai muatanAtom akseptor menjadi iontak bebas)negatif (bila elektron masuk ke lubang)

Semikonduktor Tipe-n Atom donornya hampir seluruhnya terion pada suhu 50oK (suhu kamar). Antara 110o K 4000oK, kerapatan elektron tetap seluruh atom donor telah terionisasi ne = Nd (kerapatan elektron ekstrinsik = kerapatan ion sudah ada elektron intrinsik dan hole intrinsik, tepi belum berarti.

Rapat pembawa muatan bebasX1022

10Si 8 np 6 4 2 0 100 200 300 400 500 T(oK) Rapat pembawa muatan bebas (n dan p) pada semikonduktor tipe-n sebagai fungsi suhu Pada suhu 450o K elektron intrinsik dan hole intrinsik mulai berarti. Pada suhu > 500o K jumlah elektron bebas praktis sama dengan jumlah lubang bebas (karena hampir semua elektron telah lepas dari ikatan kovalennya). Semikonduktor intrinsik menjadi bersifat intrinsik (karena n p). Nampak pada suhu kamar pada semikonduktor jumlah elektron bebas jauh lebih besar dari jumlah lubang. Elektron tersebut hampir seluruhnya berasal dari atom donor yang telah terionisasi. Elektron bebas di dalam semikonduktor tipe-n disebut pembawa muatan mayoritas, dan lubang disebut pembawa muatan minoritas.Jadi ada 4 jenis pembawa muatan pada semikonduktor tipe-n, yaitu:(1) Elektron ekstrinsik, dengan rapat ne (berasal dari atom donor yang mengalami ionisasi).(2) Ion donor (+), dengan kecepatan Nd terikat di tempat.(3) Elektron intrinsik, dengan rapat ni (berasal dari tepatnya ikatan kovalen).(4) Lubang intrinsik, dengan rapat i (terjadi pada ikatan kovalen yang ditinggalkan oleh elektron yang telah menjadi elektron intrinsik berfungsi sebagai pembawa muatan positif. Konduktivitas semikonduktor ekstrinsik tipe-n:n = q(nNn+pn)

Pada suhu kamar rapat pembawa muatan intrinsik(ni dan pi) jauh