Fisika Semikonduktor Afif Rakhman, S.Si., M.T.

Lintasan-Lintasan yang Terlarang Semikonduktor Intrinsik Contents Orbit-Orbit Elektron 1 Lintasan-Lintasan yang Terlarang 2 Tingkatan Energi 3 Kristal-Kristal 4 Pita Energi 5 Semikonduktor Intrinsik 6

Semikonduktor Ekstrinsik Peralatan Semikonduktor Contents Semikonduktor Ekstrinsik 7 Peralatan Semikonduktor 8

Niels Bohr (1885-1962) Setelah diejek dan dicemooh beberapa rekan karena menyarankan elektron mengelilingi inti atom, di kemudian hari Bohr menerima hadiah Nobel untuk model atomnya yang imaginatif. Walaupun model Bohr tidak lagi memuaskan ahli-ahli fisika atom, model tersebut merupakan pendekatan untuk atom yang bermanfaat.

Pendahuluan Untuk memahami cara kerja dioda, transistor, dan integrated circuit (IC) terlebih dahulu kita harus mempelajari semikonduktor. Semikonduktor merupakan bahan-bahan yang yang bukan konduktor dan bukan pula isolator. Konduktor banyak mengandung elektron bebas, sedangkan isolator hampir tidak mengandung elektron bebas. Semikonduktor mengandung beberapa elektron bebas, akan tetapi yang membuat semikonduktor bermanfaat adalah kehadiran “lubang-lubang” di dalamnya.

Orbit-Orbit Elektron Tahun 600 SM Orang-orang Yunani menemukan bahwa batu amber yang digosok mempunyai satu jenis muatan listrik dan gelas yang digosok mempunyai muatan listrik dari jenis lain. Tahun 1750 Franklin menyebut jenis pertama muatan yang positif dan jenis kedua merupakan muatan yang negatif. Tahun 1897 Thomson menemukan elektron dan telah membuktikan bahwa muatannya negatif. Penemuan-penemuan di atas diikuti dengan penemuan proton (bermuatan positif) dan neutron (tidak bermuatan).

Atom Boron (B) Gaya-gaya dalam atom membatasi gerak-gerak elektron dalam suatu daerah berdimensi tiga yang disebut kulit-kulit. (a) Tiga dimensi (b) Dua dimensi Gambar dua dimensi untuk memudahkan dalam menggambar atom-atom yang kompleks, seperti Cu dan Si

Konduktor Tembaga mempunyai konduktivitas yang tinggi. (a) Dua dimensi (b) Penyederhanaan Satu elektron yang berada pada orbit paling luar berada demikian jauh dari inti, sehingga hampir tidak merasakan gaya tarik inti (elektron bebas).

Konduktor Elektron bebas dapat dengan mudah berpindah dari satu atom ke atom yang di dekatnya. Konduktor yang baik (perak, tembaga, dan emas) mempunyai satu elektron valensi yang dapat dengan mudah berpindah bebas dari satu atom ke atom berikutnya.

Semikonduktor Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-contoh semikonduktor. Mempunyai empat elektron valensi (a) Germanium (b) Silikon  Silikon paling banyak digunakan dalam produksi semiconductor devices

Jumlah Elektron Valensi Dengan melihat elektron valensinya, kita dapat membedakan apakah sebuah bahan termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor. 1 elektron valensi  konduktor 8 elektron valensi  isolator 4 elektron valensi  semikonduktor

Lintasan-Lintasan yang Terlarang Satelit yang mengitari bumi bergerak dengan kecepatan yang tepat untuk membuat kesetimbangan di antara gaya gravitasi dan sentrifugal. Elektron-elektron serupa dengan satelit karena bergerak dalam lintasan-lintasan yang stabil mengelilingi inti. Perbedaannya, beberapa orbit dengan ukuran tertentu terlarang untuk diisi elektron. Jari-jari lintasan elektron dalam hidrogen : Terkecil  r1 = 0,53 (10-10) m Berikutnya  r2 = 2,12 (10-10) m Semua jari-jari lintasan antara r1 dan r2 terlarang, tidak peduli berapapun kecepatan elektron (penemuan fisika kuantum)

Lintasan-Lintasan yang Terlarang  Semakin jauh dari inti, kecepatan elektron semakin lamban.

Tingkatan Energi Untuk memindahkan elektron dari lintasan yang pertama ke lintasan yang kedua diperlukan energi dari luar untuk mengatasi daya tarikan inti. Apabila elektron diperkenankan kembali ke tempat semula, elektron akan melepaskan energi dari luar tersebut. (a) Lintasan elektron (b) Tingkatan energi

Tingkatan Energi Apabila suatu radiasi dari luar menghujani sebuah atom, maka : Radiasi memasukkan energi kepada sebuah elektron dan mengangkatnya ke tingkatan energi yang lebih tinggi (eksitasi). Eksitasi mempunyai umur yang terbatas (beberapa nano detik), setelah itu elektron yang diberi energi akan kembali ke tingkatan energi semula. Pada waktu kembali, elektron akan melepaskan energi yang diperolehnya dalam bentuk panas, cahaya, atau radiasi yang lain.

Kristal-Kristal Apabila atom-atom silikon bergabung membentuk zat padat, atom-atom tersebut membentuk suatu pola teratur yang disebut kristal. Masing-masing atom bergabung sehingga lintasan valensinya mempunyai 8 elektron (stabil) Membentuk 8 ikatan kovalen

Elektron Bebas dan Lubang Apabila ambient temperature (temperatur lingkungan) di atas temperatur nol mutlak (-2730C), maka : Energi panas menyebabkan atom-atom silikon dari kristal bergetar. Makin tinggi temperatur, makin kuat getaran mekanik atom-atom silikon. Getaran yang acak dari atom-atom silikon kadang-kadang dapat mengeluarkan sebuah elektron dari lintasan valensinya. Elektron yang meninggalkan lintasan valensinya menjadi elektron bebas dan kepergiannya meninggalkan kekosongan dalam lintasan valensi (lubang atau hole).

Elektron Bebas dan Lubang

Rekombinasi dan Umur Pada sebuah kristal silikon murni, elektron bebas dan hole yang dibentuk oleh energi thermal sama banyak. Elektron bebas bergerak secara acak dalam kristal. Kadang-kadang sebuah elektron bebas mendekati sebuah lubang, tertarik, dan memasuki lubang tersebut (rekombinasi) Umur elektron bebas ini berkisar beberapa nano detik.

Pita Energi Dalam sebuah kristal, tidak ada dua elektron yang mempunyai tingkatan energi sama (prinsip larangan Pauli) Pita energi dalam kristal silikon : (a) Pada temp. nol mutlak (b) Di atas nol mutlak

Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor Intrinsik adalah suatu semikonduktor murni, misalnya kristal silikon murni. Bila dihubungkan dengan sumber tegangan : Temperatur nol mutlak  Tidak ada arus yang mengalir  Berperilaku sebagai isolator Di atas nol mutlak  Atom-atom mulai bergetar.  Elektron valensi lepas dari ikatan, masuk ke dalam pita konduksi.  Makin tinggi temperatur, makin besar arus  Besar arus pada semikonduktor << besar arus pada konduktor

Arus Elektron dan Aliran Lubang

Semikonduktor Ekstrinsik Pada temperatur kamar, banyaknya elektron bebas dan lubang tidak mencukupi untuk kebanyakan penerapan praktis  arus pada semikonduktor ekstrinsik sangat kecil. Suatu cara untuk menaikkan konduktivitas adalah memberikan tak-murnian (doping). Doping  membubuhkan atom-atom tak-murnian pada sebuah semikonduktor instrinsik.

Peningkatan Elektron Bebas Atom-atom yang bervalensi 5 (seperti arsenikum) dapat dibubuhkan pada silikon yang meleleh  Cara di atas menghasilkan semikonduktor tipe n

Peningkatan Banyaknya Lubang Atom-atom yang bervalensi 3 (seperti aluminium, boron, dan galium) dapat dibubuhkan pada silikon yang meleleh.  Cara di atas menghasilkan semikonduktor tipe p

Dua Jenis Semikonduktor Ekstrinsik

Peralatan Semikonduktor Dioda  Semikonduktor ekstrinsik yang mempunyai dua derah yang diberi tak-murnian.  Memungkinkan arus mengalir pada satu arah dan menahan arus dari arah yang berlawanan Transistor  Tiga daerah yang diberi tak-murnian  Dapat digunakan untuk memperkuat arus

Peralatan Semikonduktor Serpihan (chip) Dengan menggunakan teknik pemotretan yang maju, pabrik dapat membuat rangkaian di atas permukaan serpihan ini yang banyak mengandung dioda, transistor, dan sebagainya.

Terima Kasih !