tugas_semikonduktor

5/12/2018 Tugas_Semikonduktor - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tugassemikonduktor 1/34

DASAR

SEMIKONDUKTOR



Atom Seperti diketahui, setiap materi terdiri atas melekul-

melekul, pada umumnya sebuah melekul terdiri atas atom-atom yang berbeda, namun ada juga melekul-melekul yang

terdiri atas atom dari satu jenis saja, dalam hal ini bahan

yang bersangkutan disebut sebagai elemen atau unsur.

Jika muatan positif dari atom sama dengan jumlah muatan

negatif yang mengitarinya, maka atom berada dalam

keadaan netral.

Sebuah atom terdiri atas bagian-bagian yang lebih kecil

lagi, yaitu sebuah inti yang bermuatan positif dan sejumlah

elektron bermuatan negatif yang mengitari inti atom

tersebut dalam orbit tertentu.



Lintasan Atom

Gerakan-gerakan elektron pada sebuah atom mirip dengan

gerakan planet yang mengitari matahari dalam tatasurya.

Setiap kulit akan memiliki 2n2 elektron. Sebagai contoh:

pada kulit K terdapat tidak lebih dari 2x12 = 2 elektron,

pada kulit L = 2x22 = 8 elektron, kulit M = 2x32 = 18

elektron, dan seterusnya.

Seperti halnya planet yang memiliki orbit atau lintasan,

elektron mengelilingi inti dengan orbit yang digolongkan

dalam beberapa kulit atau lintasan, yaitu K, L, M, N, ….., bersesuaian dengan n = 1, 2, 3, 4, ….. Kulit yang dekat

dengan inti adalah K, atau kulit pada urutan pertama.



Model Lintasan Atom

Inti

Lintasan 1

Lintasan 2

Lintasan 3



Model Atom Silicon

14

Kulit K 2 elektron

Kulit L 8 elektron

Kulit M 4 elektron

Total = 14 elektron



Model Atom Germanium

32

Kulit K 2 elektron

Kulit L 8 elektron

Kulit M 18 elektron

Kulit N 4 elektron

Total = 32 elektron



Unsur Semikonduktor

Unsur yang dipakai untuk membuat dioda, transistor

dan komponen elektronika lainnya adalah

semikonduktor.

Semikonduktor yang utama adalah Silikon ( Si ) dan

Germanium ( Ge ).

Besar resistansi jenis dari unsur tersebut adalah lebih

kecil dari resistansi jenis isolator dan lebih besar daripada resistansi jenis konduktor.

Unsur tersebut tidak dapat digolongkan padakonduktor maupun isolator.



Silikon dan Germanium

Silicon dan germanium merupakan suatu unsursemikonduktor intrisik, karena berdasarkan model atom

Borh, bahwa sebuah atom suatu unsur terdiri dari inti yang

bermuatan positif dan dikelilingi oleh electron-elektron yang

bergerak dalam lintasannya, electron yang terdapat pada

lintasan luar disebut electron valensi, atom Si dan Ge masing-masing memiliki empat electron valensi dan diperlihatkan

pada gambar berikut :



Tabel Priodik



Struktur Kristal

Atom-atom Silikon atau

Germanium pada 0oK berbentuk

kristal, setiap atom membuat

ikatan kovalensi dengan ke empat

atom Si atau Ge yang terdekat

dengan atom tersebut.

Jadi pada 0oK setiap atom Si atau

Ge seolah-olah mempunyai

delapan buah elektron valensi,

sehingga merupakan unsur yangpaling stabil.

Pada 0oK atom Si atau Ge

merupakan isolator.

Bentuk atom tiga dimensi

Bentuk atom Si dua dimensi



Kenaikan Temperatur

Bila temperatur dinaikkan, maka enersi panas akan

memecah ikatan kovalensi.

jadi bila temperatur Si atau Ge dinaikkan dari 0oK,

maka unsur tersebut berubah dari isolator menjadi

semikonduktor.

Tempat yang kosong yang ditinggalkan oleh elektron

pada ikatan kovalensi yang pecah disebut “Hole” dan

juga merupakan pembawa muatan listrik.

Ikatan kovalensi yang pecah ini akan menghasilkan

elektron bebas yang menjadi pembawa muatan listrik.



Bila model atom diperbesar, maka yang terlihat hanya sebagian

dari lintasan elektron seperti gambar.

Ban Energi

Inti atom

Lintasan 1

Lintasan 2

Lintasan 3

r1

r2

r3

Er1

Er3

Er2

Tepi inti

Tingkat Energi

Untuk mempermudah analisa, maka lintasan elektron pada

model atom dibuat menjadi garis horisontal, jadi lintasan 1 (k)

disebut tingkat energi 1 (Er1) dan seterusnya.



Ban Energi (2)

Lintasan-lintasan Elektron

atau tingkat-tingkat energi

pada zat, tidak hanya

dipengaruhi oleh atom masing-

masing lintasan, tetapi juga

oleh atom-atom lainnya.

Karena setiap elektron pada

kristal berada pada posisi

berlainan, maka energi atom

tersebut tidak sama.

Tingkat-tingkat energi dari zat

padat akan membentuk ban

energi.

Ban Konduksi

Ban Valensi

Ban Kedua

Ban Pertama

Energi



Karena elektron-elektron dalam ban-ban energi antara inti dan

ban valensi tidak mempengaruhi sifat-sifat kimia dan fisik darisuatu unsur, maka yang akan dipelajari hanyalah ban valensi

dan ban konduksi saja.

Ban Energi (3)

Ban terlarang mempunyai energi sebesar beberapa elektron volt

(eV), yang dikenal dengan “gap energy”.

Untuk isolator dan semikonduktor, masing-masing terdiri dariban valensi, ban terlarang dan ban konduksi, sedang untuk

konduktor hanya terdiri dari ban valensi dan ban konduksi saja.

Besar ban terlarang ini yang membedakan sifat-sifat dari

isolator, semikonduktor dan konduktor.

Perbedaan energi antara batas atas ban valensi dan batas

bawah ban konduksi disebut ban terlarang.



Isolator

Ban Konduksi

Ban Terlarang

Ban Valensi

Eg 6 eV

Energi



Semikonduktor

Ban Konduksi

Ban Terlarang

Ban Valensi

Eg 1 eV

Energi



Ban TerlarangSemikonduktor

MaterialEnergy gap (eV)

0K 300K

Si 1.17 1.11

Ge 0.74 0.66

InSb 0.23 0.17

InAs 0.43 0.36

InP 1.42 1.27GaP 2.32 2.25

GaAs 1.52 1.43

GaSb 0.81 0.68

CdSe 1.84 1.74

CdTe 1.61 1.44

ZnO 3.44 3.2

ZnS 3.91 3.6



Konduktor

Ban Konduksi

Ban Valensi

Energi



Doping

Kristal Si atau Ge murni atau semikonduktor intrinsik

tidak dapat digunakan untuk membuat dioda, transistor

dan lainnya, karena pembawa muatan, yaitu pasangan hole

dan elektron bebas tidak akan mengalirkan arus listrik

yang cukup besar untuk digunakan.

Kristal yang dihasilkan disebut semikonduktor ekstrinsik.

Untuk mendapat kristal yang dapat digunakan pada

maksud tersebut, maka kedalam kristal semikonduktor

intrinsik dimasukkan atom-atom impurities, yaitu atom-atom trivalent atau pentavalent yang diistilahkan dengan

“doping”.



Atom trivalent dan pentavalent.Untuk membuat semikonduktor type-p dan type-n biasanya

digunakan unsur trivalent B (boron) dan unsur

pentavalen P (phosphorous ) untuk Silicon, unsur trivalent

Al (aluminum), Ga (gallium) dan In (indium) serta unsur

pentavalent As (arsenic) dan Sb (antimony) untuk Germanium.



Semikonduktor Type-p

Untuk mendapatkan semikonduktor type-p,

kedalam semikonduktor intrinsik

ditambahkan atom-atom trivalent atau atom

yang memiliki tiga electron valensi seperti

boron, aluminum atau gallium kesuatu unsur

murni seperti silicon atau germanium, maka

masing-masing atom tersebut hanya akanmembentuk tiga ikatan kovalensi dengan tiga

atom valensi dari atom semikonduktor

intrinsic yang terdekat dengannya. Elektron

valensi dari atom semikonduktor intrinsik

yang ke empat, yang terdekat dengan atomtrivalent tidak membentuk ikatan kovalensi.

Jadi dalam ban valensi setiap atom trivalent,

setelah doping hanya terdapat tujuh elektron

valensi.



Semikonduktor Type-n

Untuk mendapatkan semikonduktor type-n,

kedalam semikonduktor intrinsik

ditambahkan atom-atom pentavalent atau

atom yang memiliki lima electron valensi

seperti antimony, arsenic atau phosphorous

kesuatu unsur murni seperti silicon atau

germanium, maka masing-masing atomtersebut akan membentuk empat ikatan

kovalensi dengan empat atom valensi dari

atom semikonduktor intrinsic yang terdekat

dengannya. Elektron valensi yang ke lima

dari pentavalent tidak membentuk ikatankovalensi. Karena ban valensi tidak dapat

mempunyai lebih dari delapan elektron

valensi, maka elektron valensi yang ke lima

dari atom pentavalent akan berada dalam

ban konduksi.



P-N JUNCTION

P N

Bila sebagian kristal semikonduktor murni ditambahkan atomtrivalent dan bagian lainnya ditambah atom pentavalent, akan

didapatkan PN junction, yang dikenal dengan dioda junction.

Dioda tersebut dapat menghantarkan listrik ke satu arah

tertentu, yaitu dari arah P ke N.



P-N Junction Difusi

Segera setelah PN junction terbentuk, maka elektron

dari N akan berdifusi ke P dan hole dari P akan

berdifusi ke N.

P N



P-N Junction Kombinasi

Elektron yang berdifusi ke P akan berkombinasi

dengan hole dekat junction. Elektron yang

berkombinasi dengan hole tersebut berubah dari

elektron bebas (pada N) menjadi elektron valensi (padaP).

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N



Jadi sekitar junction akan terdapat daerah yangbermuatan positif (pada N) dan negatif (pada P), yang

disebut daerah transisi, deplesi atau barrier.

Deplesi

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N

Deplesi



Prategangan MajuJika PN junction diberi prategangan maju, yaitu

bagian P dihubungkan dengan terminal positif darisumber daya dan bagian N dengan terminal negatip.

+ -

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N



Prategangan Majumaka hole dari P dan Elektron dari N akan bergerak

menuju junction, sehingga daerah Deplesi akandipersempit

+ -

P N

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N



Deplesi dipersempit

+ -

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P NDeplesi

P M d



Prategangan MundurJika PN junction diberi prategangan mundur, yaitu

bagian P dihubungkan dengan terminal negatif darisumber daya dan bagian N dengan terminal positif.

+-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N



Prategangan Mundurmaka hole dari P dan Elektron dari N akan bergerak

menjauhi junction, sehingga daerah Deplesi akanmembesar

+-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N

+

+

+

+

+

+

++

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-



Deplesi diperlebar

+

+

+

+

+

+

++

+

+

-

-

-

-

-

-

-

--

-

P N

- +

Deplesi

tugas_semikonduktor

Documents