SEMIKONDUKTOR

MATERIAL SEMIKONDUKTOR Suatu bahan di alam ini dapat dibagi menjadi beberapa bagian berdasarkan sifat kelistrikannya yaitu : Bahan Isolator memiliki harga  sekitar 1014 – 1022 .cm Bahan Semikonduktor memiliki harga  sekitar 10-2 – 109 .cm Bahan Konduktor memiliki harga  sekitar 10-5 .cm

PITA-PITA ENERGI UNTUK ZAT PADAT Energi gap yang lebar antara pita valensi dan pita konduksi pada insulator menggambarkan bahwa elektron sangat sulit mencapai pita konduksi pada temperatur biasa Insulator Energy elektron Semikonduktor Dalam semikonduktor, celah pita energi (band gap) cukup kecil sehingga dengan energi termal saja sudah dapat mengeksitasi elektron ke pita konduksi Konduktor overlap Level Fermi Dalam konduktor tidak ada band gap karena pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih (overlap)

Bahan semikonduktor banyak digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen elektronik Modern seperti dioda, transistor, kapasitor dsb Germanium merupakan semikonduktor yang pertama kali dIeksplorasi 1947 untuk aplikasi transistor Silikon sampai saat ini banyak digunakan untuk bahan pembuatan komponen elektronik dengan pertimbangan : Bahan cukup melimpah di alam Harga relatif murah Mudah dioksidasi untuk membentuk bahan isolator SiO2 Semikonduktor Paduan II-VI atau III-V banyak dimanfaatkan untuk aplikasi elektronik maupun optoelektronik

ELEKTRON-ELEKTRON VALENSI Elektron-elektron dalam kulit terluar sebuah atom disebut elektron-elektron valensi. Elektron-elektron tersebut menentukan sifat dasar reaksi-reaksi kimia atom dan terutama menentukan sifat listrik material padat. Antimoni 5 elektron valensi Silikon 4 elektron valensi Boron 3 elektron valensi

Komponen elektronik pada era sebelum teknologi semikonduktor dimulai telah dibuat dalam bentuk tabung vakum seperti dioda (1904) dan trioda (1906)

Era Teknologi Semikonduktor dimulai tahun 1947 dengan ditemukannya transistor dari bahan Germanium Transistor bipolar pertama Terbuat dari Germanium Transistor bipolar pertama kali Dibuat oleh Bardeen, Shockley dan Brattain

Evolusi Komponen Elektronik

KRISTAL SILIKON Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan yang disebut ikatan kovalen Gambaran ikatan kovalen atom silikon Pada kondisi nol mutlak. Setiap atom Si menyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen

KRISTAL SILIKON PADA KEADAAN DI ATAS NOL KELVIN Gambaran ikatan kovalen atom Si pada kondisi temperatur tinggi. Penambahan energi termal menyebabkan putusnya ikatan kovalen yang menghasilkan pasanga elektron-hole

DIAGRAM PITA ENERGI SILIKON DIAGRAM PITA ENERGI GERMANIUM

ENERGI CELAH PITA (BANDGAP) Energi celah pita (bandgap) merupakan energi minimum yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dari ikatan kovalen dalam kristal semikon- duktor

TIPE SEMIKONDUKTOR Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor Intrinsik merupakan semikonduktor murni yang belum diberi atom pengotor (impuritas) Kerapatan elektron dalam semikonduktor intrinsik EG = Energi celah pita semikonduktor dalam eV B = Konstanta Bahan (untuk Si B=1,08 x 1031 K-3 cm-6 T = temperatur (K) k = konstanta Boltzmann 8,62 x 10-5 eV/K ni  1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar

Apabila semikonduktor mendapatkan energi termal, maka hal ini dapat menyebabkan pecahnya ikatan kovalen yang akan menghasilkan elektron bebas Akibat ditinggalkan oleh elektron maka pada pita valensi terdapat kekosongan-kekosongan yang disebut lubang (hole) hole dapat dianggap sebagai muatan positif yang dapat bergerak ketika kekosongan (lubang) diisi oleh elektron yang berasal dari pecahnya ikatan kovalen atom tetangga terdekat. Pergerakan hole ini disebut arus hole Pada semikonduktor intrinsik kerapatan hole (p) sama dengan kerapatan elektron (n) pn = n2

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK Generasi hole dan elektron hole Elektron bebas Gerakan hole

GAMBARAN TENTANG PEMBENTUKAN HOLE

ARUS LISTRIK PADA BAHAN SEMIKONDUKTOR Elektron dan hole keduanya memberi kontribusi pada aliran arus listrik dalam bahan semikonduktor intrinsik

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor murni yang telah diberi atom pengotor (impuritas) Proses penambahan atom pengotor (impuritas) disebut doping Dengan proses pendopingan tersebut memungkinkan adanya kontrol terhadap harga resistivitas bahan Untuk silikon, atom pengotornya diambil dari atom golongan III dan V dalam tabel periodik

DOPING SEMIKONDUKTOR Penambahan atom-atom impuritas dari golongan yang berbeda dalam kisi kristal silikon atau germanium, akan menghasilkan perubahan dramatis pada sifat-sifat listriknya dan menghasilkan semikonduktor tipe-n dan tipe-p. + 5 Boron, Aluminium, Galium (3 elektron valensi) Menghasilkan semikonduktor tipe-p oleh pembentukan hole atau kekosongan elektron + 51 Antimoni, Arsen, Fosfor (5 elektron valensi) Menghasilkan semikonduktor tipe-n oleh kontribusi elektron tambahan

Apabila atom pengotor dapat menyumbangkan elektron pada semikonduktor murni maka pengotor tersebut disebut atom donor sebagai atom donor pada Si diambil dari golongan V seperti fosfor Atom fosfor memiliki elektron valensi 5, sehingga ketika membentuk ikatan dengan atom Si maka akan menyumbangkan satu elektron Tipe semikonduktor ekstrinsik ini adalah tipe-n

Tipe semikonduktor ekstrinsik ini adalah tipe-p Apabila atom pengotor memerlukan elektron tambahan agar dapat berikatan dengan atom semikonduktor murni,maka pengotor tersebut disebut atom aseptor sebagai atom aseptor pada Si diambil dari golongan III seperti Boron Atom Boron memiliki elektron valensi 3, sehingga ketika membentuk ikatan dengan atom Si maka akan menyumbangkan satu hole Tipe semikonduktor ekstrinsik ini adalah tipe-p

MODEL ENERGI PITA PADA SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK Semikonduktor yang telah didoping atom donor Atom donor memiliki elektron bebas dengan energi ED yang relatif kecil, sehingga memudahkan perpindahan Elektron dari atom donor ke pita konduksi Semikonduktor yang telah didoping atom aseptor Ikatan yang terbentuk antara atom aseptor dengan semikonduktor murni akan menghasilkan kekosongan dengan energi EA, Keadaan tersebut akan memudahkan pindahnya elektron dari pita valensi ke tingkat keadaan aseptor

TIPE ARUS LISTRIK DALAM SEMIKONDUKTOR ARUS HANYUT (DRIFT) Ketika semikonduktor diberi medan listrik, maka partikel-partikel bermuatan akan bergerak atau hanyut (drift) yang disebut arus hanyut (arus drift) Laju drift dari partikel bermuatan tersebut berbanding lurus dengan medan listrik E dan vn dan vp adalah laju dari elektron dan hole (cm/s) n dan p adalah mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)

jT = jn + jp = q(n n + p p)E= E Rapat arus drift jn = qn n E (A/cm2) jp = qp p E (A/cm2) jT = jn + jp = q(n n + p p)E= E Konduktivitas =q(n n + p p) (1/.cm) Resistivitas  = 1/  (.cm)

ARUS DIFUSI Arus Difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa Arus Difusi mengalir dari daerah yang memiliki konsentrasi muatan tinggi ke daerah yang konsentrasi muatannya rendah Arus difusi sebanding dengan gradien konsentrasi Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron

ARUS TOTAL DALAM SEMIKONDUKTOR Arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dan arus difusi

PEMBENTUKAN SEMIKONDUKTOR SAMBUNGAN pn Semikonduktor Silikon yang didoping fosfor akan menyebabkan konsentrasi elektronnya meningkat (tipe-n) elektron Atom Donor

Semikonduktor silikon yang didoping Boron akan menyebabkan konsentrasi holenya meningkat (tipe-p) Atom aseptor

Pembentukan sambungan pn dapat dilakukan dengan menggabungkan semikonduktor tipe-p dengan tipe-n Tipe-n dengan konsentrasi Atom donor ND Tipe-p dengan konsentrasi atom aseptor NA hole elektron

Karena adanya perbedaan konsentrasi maka: elektron akan berdifusi dari tipe-n ke tipe-p hole akan berdifusi dari tipe-p ke tipe-n Ketika elektron bertemu dengan hole maka elektron akan mengisi hole

Dalam daerah muatan ruang tersebut akan terbentuk medan listrik E Daerah pertemuan elektron dengan hole akan menjadi daerah muatan ruang (lapisan deplesi) Dalam daerah muatan ruang tersebut akan terbentuk medan listrik E Daerah muatan positif Daerah muatan negatif E

Tanpa panjar Tipe-p Tipe-n Tipe-p Tipe-n

Tipe-p Tipe-n Tanpa Panjar Tipe-p Tipe-n