SEMIKONDUKTOR

SEMIKONDUKTOROleh : Kelompok V

Anggota kelompok :1. Meidah Rianti2. M. Renza3. Ina Rusnani4. Fitriyana5. Ester L.S6. Epilia Nirbaya7. Isgiandini8. Fahjri Asrullah

A. Pengertian Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor merupakan material zat padat yang memiliki harga resistivitas antara 10-5–105 Ω.cm.

Bahan Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik (setengah konduktor) karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberiantegangan, perubahan suhu dan sebagainya).

SEMIKONDUKTOR

B. Bahan Pembuat SemikonduktorPada awal 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 cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah.

Selain silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan II-VI atau III-V seperti dalam tabel periodik di bawah baik binary (paduan 2 unsur) maupun ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb, GaNAs

SEMIKONDUKTOR

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

SEMIKONDUKTOR

C. Model Ikatan Atom pada Bahan SemikonduktorKristal semikonduktor tersusun dari atom-atom 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 bawah ini digambarkan terbentuknya ikatan kristal pada bahan silikon.Perhatikan Gambar dibawah ini :

SEMIKONDUKTOR

Pada Gambar (a) menunjukkan ilustrasi ikatan kovalen dari atom silikon pada kondisi temperatur nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom silikon menyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila 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 elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan menjadi hole seperti nampak pada gambar (b).

SEMIKONDUKTOR

D. Model Pita Energi SemikonduktorGambar dibawah ini adalah gambar Model pita energi bahan semikonduktor

SEMIKONDUKTOR

Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar B), keadaan elektron valensi ini memiliki tingkat energi yang besarnya Ev. Elektron valensi ini berkontribusi pada pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor.

Sedangkan keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi dengan tingkat energi Ec (gambar A). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi Ec.

SEMIKONDUKTOR

Pada gambar C diilustrasikan keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron valensi pada tingkat energi Ev akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat energi Ec. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi celah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor. Berikut ini tabel energi gap bahan semikonduktor

SEMIKONDUKTOR

E. Tipe Semikonduktor

Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) dan elektron berfungsi sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus). Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu: Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang

belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor)

Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping).

SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”Apabila semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana elektron bermuatan negatif dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan:

𝑛𝑖2=𝐵𝑇3𝑒

(− 𝐸𝐺

𝑘𝑇 )

SEMIKONDUKTOR

Keterangan:EG = energi celah pita semikonduktor (eV)

B = konstanta bahan (untuk Si = 1,08x1031 K-3cm-6)T = temperatur (K)k = konstanta Boltzman (8,62x105 eV/K)ni ≈ 1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar

Pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5.

SEMIKONDUKTOR

Pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron seperti gambar di bawah.

Gambar 5. Kristal silikon yang diberi pengotor fosfor

SEMIKONDUKTOR

Apabila kristal silikon diberi atom pengotor boron yang memiliki elektron valensi 3 maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan (hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal silikon yang telah diberi pengotor boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga kristal silikon akan bertipe-p (positif) seperti gambar di bawah.

Gambar 6. Kristal silikon yang telah diberi atom pengotor boron

SEMIKONDUKTOR

F. Tipe Arus Listrik pada SemikonduktorKeberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu arus hanyut (drift) dan arus difusi.

Arus hanyut (drift)Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang berbanding lurus dengan medan listriknya.Laju hanyut elektron

Laju hanyut hole

vn = -µnE

vp = µpE

SEMIKONDUKTOR

dimana:vn dan vp = laju dari elektron dan hole (cm/s)

µn dan µp = mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)

Rapat arus drift untuk elektron adalah:

Rapat arus drift untuk hole adalah:

jn = q n µn E

jp = q p µp E

SEMIKONDUKTOR

Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus drift elektron dengan rapat arus drift hole.

Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor :

Dan resistivitasnya :

jT = jn + jp = q (n µn + p µp)E = σ E

σ = q(n µn + p µp)

ρ = 1/σ

SEMIKONDUKTOR

Arus DifusiArus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa. Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien konsentrasi yang dirumuskan:Arus difusi untuk hole:

Arus difusi untuk elektron:

𝑗𝑃𝑑𝑖𝑓𝑓= (+𝑞) 𝐷𝑃(− 𝜕𝑝𝜕𝑥 )=−𝑞 𝐷𝑝

𝜕𝑝𝜕 𝑥

𝑗𝑛𝑑𝑖𝑓𝑓= (−𝑞) 𝐷𝑛 (− 𝜕𝑛𝜕 𝑥 )=+𝑞𝐷𝑛

𝜕𝑛𝜕 𝑥

SEMIKONDUKTOR

Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron.Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus difusi yang dirumuskan pada

Rapat arus total untuk elektron:

Rapat arus total untuk hole:

𝑗𝑛𝑇=𝑞𝜇𝑛𝑛𝐸+𝑞𝐷𝑛

𝜕𝑛𝜕𝑥

𝑗𝑝𝑇=𝑞𝜇𝑝𝑝𝐸−𝑞𝐷𝑝

𝜕𝑝𝜕𝑥

SEMIKONDUKTOR

G. Pita Energi SemikonduktorOrbital-orbital elektron dalam kristal semikonduktor terbagi dalam dua kelompok pita energi. Pita yang memiliki energi rendah dinamakan pita valensi sedangkan pita yang memiliki energi tinggi dinamakan pita konduksi. Pita valensi dan pita konduksi dibatasi oleh nilai-nilai energi yang tidak boleh ditempati elektron. Daerah terlarang tersebut dinamakan celah energi. Lebar celah energi didefinisikan sebagai selisih antara energi terendah dalam pita konduksi dengan energi tertinggi dalam pita valensi, atau dapat dituliskan: Dimana: Eg = lebar celah pita energi

Ec = energi terendah dalam pita konduksi

Ev = energi tertinggi dalam pita valensi

Eg = Ec – Ev

SEMIKONDUKTOR

Aliran muatan listrik dalam bahan semikonduktor terjadi jika ada elektron yang meloncat 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. Pada suhu mendekati nol Kelvin tidak ada elektron yang sanggup meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sehingga semikonduktor bersifat isulator. Jika suhu dinaikkan maka ada elektron dari pita valensi yang meloncat ke pita konduksi. Makin tinggi suhu makin banyak elektron yang meloncat ke pita konduksi sehingga konduktivitas semikonduktor makin besar.Ketika elektron meloncat ke pita konduksi maka pita valensi menjadi kekurangan elektron. Lokasi yang ditinggalkan elektron seolah berperilaku sebagai partikel bermuatan positif.

SEMIKONDUKTOR

Partikel ini dinamakan hole. Dalam bahan semikonduktor murni, jumlah elektron yang meloncat ke pita konduksi persis sama dengan jumlah hole yang terbentuk di pita valensi. Dengan demikian, jika ne adalah konsentrasi elektron pada pita konduksi dan nh adalah konsentrasi hole pada pita valensi maka untuk semikonduktor murni terpenuhi:

Namu pada bahan semikonduktor untuk aplikasi industri umumnya bukan semikonduktor murni, tetapi semikonduktor yang didop dengan atom tertetu. Doping tersebut menyebabkan terjadinya perubahan konsentrasi elektron dan hole yang tidak lagi memenuhi persamaan di atas. Jika atom dopan pada semikonduktor memberikan sumbangan elektron pada material sehingga menjadi atom yang bermuatan positif maka dikatakan atom tersebut sebagai donor (pemberi elektron ).

ne = nh

SEMIKONDUKTOR

Sebaliknya jika atom dopan pada semikonduktor menarik elektron dari pita valensi sehingga menjadi atom yang bermuatan negatif maka dikatakan atom tersebut sebagai akseptor. Jika jumlah atom donor lebih banyak dari atom akseptor maka dinamakan semikonduktor tersebut bertipe negatif. Sebaliknya jika jumlah akseptor lebih banyak daripada jumlah atom donor maka dinamakan semikonduktor bertipe positif.Karena elektron adalah fermion maka distribusi elektron pada pita konduksi memenuhi fungsi distribusi Fermi-Dirac:

𝑓 𝑒 (𝐸 )= 1

𝑒[ 𝐸−𝜇𝑘𝑇 ]+1

SEMIKONDUKTOR

Populasi elektron pada pita konduksi adalah:

dan jumlah hole pada pita valensi adalah:

dengan:

𝑁 𝑒=∑𝐶𝐵

𝑓 𝑒 (𝐸 )

𝑁 h=∑𝑉𝐵

{1− 𝑓 𝑒 (𝐸 ) }=∑𝑉𝐵

𝑓 h (𝐸 )

𝑓 h (𝐸 )=1− 𝑓 𝑒 (𝐸 )=1− 1

𝑒[ 𝐸−𝜇𝑘𝑇 ]+1

¿ 𝑒[ 𝐸−𝜇𝑘𝑇 ]

𝑒[ 𝐸 −𝜇𝑘𝑡 ]+1

SEMIKONDUKTOR

Hukum Aksi MassaSekarang kita hitung perkalian ne dan nh

¿1

𝑒[ 𝜇−𝐸𝑘𝑇 ]+1

𝑛𝑒𝑛h=𝑛𝑐𝑒[− (𝐸 𝑐−𝜇 )

𝑘𝑇 ]×𝑛𝑣𝑒

[− (𝜇−𝐸 𝑣 )𝑘𝑇 ]

¿ (𝑛𝑐𝑛𝑣 )𝑒[− (𝐸 𝑐−𝐸 𝑣 )

𝑘𝑇 ]

¿ (𝑛𝑐𝑛𝑣 )𝑒[ −𝐸𝑔

𝑘𝑇 ]

SEMIKONDUKTOR

Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor . Hal ini dapat terjadi karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi penuh oleh elektron, dan ketika dalam temperatur yang tinggi akan ada ikatan-ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron-elektron bebas.

SEMIKONDUKTOR

KESIMPULANSemikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor merupakan material zat padat yang memiliki harga resistivitas antara 10-5–105 Ω.cm. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik.

Semikonduktor dibagi dua berdasarkan jenis muatan pembawanya, yaitu:• Semikonduktor intrinsik, adalah semikonduktor yang

belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor)• Semikonduktor ekstrinsik, adalah semikonduktor yang

sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping).

SEMIKONDUKTOR

Terima Kasihありがとうขอบคุ�ณ

Kelompok V

SEMIKONDUKTOR