Depletion Layer dan P-N Junction Oleh kelompok 5: PURWANDITA SELINA AMELIA SAVITTRI INDAH PERMATA SYAHNAN ANASTASIA LEONITA SEMBIRING MASMUR SIJABAT AISYAH MEIROSI

P-N Junction P-N Junction adalah batas pertemuan antara kedua bahan semikonduktor tipe P dan tipe N yang ada didalam sebuah kristal semikonduktor yang merupakan cikal bakal komponen dioda, transistor dan IC. Pada dasarnya P-N Junction merupakan sebuah blok yang ada didalam komponen tersebut, misalnya sebuah dioda disusun oleh P-N tunggal sedangkan transistor ada dua jenis yaitu P-N-P dan N-P-N. P-N Junction terjadi karena elektron bebas pada semikonduktor tipe N mengisi "hole" pada semikonduktor tipe P. Area pertemuan ini disebut dengan Depletion Region atau Area penipisan. Ketika persimpangan P-N terbentuk, beberapa elektron bebas dari area tipe N yang berhasil mencapai pita konduksi bebas akan menyebar dan mengisi lubang (hole) pada area tipe P.

Dalam gambar bahan semikonduktor jenis-p di bawah ini lingkaran kecil adalah hole, yang merupakan pembawa muatan mayoritas. Biasanya, hole terdistribusi rata mengisi di seluruh semikonduktor jenis-p. Pada semikonduktor jenis-p pembawa muatan mayoritasnya adalah hole

Dalam gambar bahan semikonduktor jenis-n di bawah ini bulatan hitam kecil adalah elektron bebas. Elektron bebas merupakan pembawa muatan mayoritas di dalam semikonduktor jenis-n. Biasanya, elektron bebas terdistribusi rata mengisi di seluruh semikondur jenis-n. Pada semikonduktor jenis-n pembawa muatan mayoritasnya elektron

Jika terhadap sebatang silikon intrinsik, pada bagian batang sebelah kiri dilakukan difusi dengan atom-atom impuriti boron, dan pada bagian batang sebelah kanan dilakukan difusi dengan atom-atom impuriti fosfor maka akan diperoleh bahan semikonduktor jenis-p berdampingan dengan semikonduktor jenis-n seperti pada gambar di bawah ini. Pertemuan jenis-p dengan jenis-n itu dinamakan pn-junction. Di pn-junction elektron-elektron menyeberang dari sisi-n untuk mengisi hole di sisi-p. Proses ini hanya terjadi pada daerah di sekitar junction dan kejadian ini menimbulkan potensial negatip pada sisi-p dan potensial positip pada sisi-n.

Karena jenis-p berdekatan dengan jenis-n di junction, beberapa elektron bebas dari sisi-n tertarik melintasi junction untuk mmengisi hole pada sisi-p. Kedua pembawa muatan (elektron dan hole) dikatakan diffuse (berdifusi) melintasi junction, yaitu mengalir dari bagian dengan konsentrasi pembawa muatan yang tinggi ke bagian dengan konsentraasi yang rendah. Elektron-elektron bebas yang melintasi junction menimbulkan ion-ion negatip pada sisi-p dengan jalan memberikan pada atom-atom satu elektron lebih banyak dari pada jumlah total protonnya. Elektron-elektron juga meninggalkan ion-ion positip (atom-atom dengan elektron satu lebih sedikit dari pada jumlah proton) pada sisi-n. Sebelum pembawa muatan itu berdifusi melintasi junction baik bahan jenis-n maupun bahan jenis-p keduanya sama-sama netral secara elektrik. Tapi, begitu ion-ion negatip terbentuk pada junction sisi-p, sisi-p menjadi berpotensial negatip. Dengan cara yang sama, ion-ion positip terbentuk pada sisi-n yang menjadikan sisi-n berpotensial positip. Potensial negatip pada sisi-p cenderung menolak elektron-elektron selanjutnya yang berusaha melintasi junction dari sisi-n, potensial positip pada sisi-n cenderung menolak setiap hole selanjutnya yang mau melintas dari sisi-p. Jadi, difusi pendahuluan pembawa muatan menimbulkan yang dinamakan barrier potensial pada junction.

Barrier potensial ini negatip pada sisi-p dan positip pada sisi-n, cukup besar untuk menghindari setiap gerakan elektron atau hole selanjutnya melintasi junction. Pemindahan pembawa-pembawa muatan dan pembentukan resultan barrier potensial terbentuk ketika proses manufaktur. Dengan mengetahui kerapatan doping, muatan elektron, dan suhu, dimungkinkan meghitung besar barrier potensial. Barrier potensial pada suhu kamar adalah 0,3 volt untuk germanium junction dan 0,7 volt untuk silikon. Gerakan pembawa-pembawa muatan melintasi junction meninggalkan suatu lapisan pada setiap sisi yang kosong dari pembawa-pembawa muatan. Gambar depletion region ini seperti pada gambar berikut ini.  Kerapatan doping yang sama

Kerapatan doping yang tidak sama Pada sisi-n, depletion region terdiri dari atom-atom impuriti donor yang telah kehilangan elektron bebas yang terkait dengan atom-atom itu dan telah menjadi bermuatan positip. Pada sisi-p, depletion region terdirin dari atom- atom impuriti akseptor yang telah menjadi bermuatan negatip dengan jalan kehilangan hole yang terkait dengan atom-atom itu (yaitu hole diissi elektron). Pada masing-masing sisi junction, jumlah atom impuriti yang sama terlibat di dalam depletion region. Bila dua blok bahan mempunyai kerapatan doping yang sama, lapisan-lapisan depletion pada masing-masing sisi junction mempunyai ketebalan yang sama, seperti gambar ini. Kerapatan doping yang tidak sama Difusi pembawa muatan yang melintasi pn-junction menimbulkan suatu yang disebut depletion region (daerah kosong pembawa muatan). Penetrasi depletion region ini paling jauh ke dalam sisi junction yang didoping lebih ringan (more lightly doped side of junction).

Jika sisi-p yang lebih heavily doped dari pada sisi-n, seperti pada gambar di atas, penetrasi depletion region lebih jauh ke dalam sisi-n agar dapat mencakup jumlah atom impuriti pada masing-masing sisi junction. Sebaliknya, jika sisi-n yang paling heavily doped, penetrasi depletion region lebih dalam ke bahan jenis-p. Potensial barrier pada junction berlawanan dengan arah aliran elektron dari sisi-n dan aliran hole dari sisi-p. Karena elektron-elektron itu pembawa muatan mayoritas dalam bahan jenis-n and hole adalah pembawa muatan mayoritas bahan jenis-p ternyata potensial barrier itu berlawanan dengan dengan arus pembawa muatan mayoritas. Juga, elekktron-elektron bebas yang ditimbulkan oleh energi termal pada sisi-p tertarik melintasi potensial barrier positip ke sisi-n karena elektron-elektron itu bermuatan negatip. Demikian juga, hole yang ditimbulkan energi termal pada sisi-n tertarik ke sisi-p melintasi potensial barrier negatip di junction. Elektron-elektron pada sisi-p dan hole pada sisi-n itu pembawa muatan minoritas. Karena itu, potensial barrier membantu aliran pembawa muatan minoritas melintasi junction. Reverse-Biased Junction Jika tegangan bias eksternal positip dipasang pada sisi-n dan negatip dipasang pada sisi-p dari pn-junction, elektron-elektron dari sisi-n ditarik ke terminal positip tegangan bias dan hole dari sisi-p ditarik ke terminal negatip tegangan bias.

Pada gambar berikut ini, hole dari atom-atom impuriti dalam sisi-p junction tertarik menjauhi junction dan elektron-elektron ditarik keluar dari atom- atomnya dalam sisi-n dari junction tertarik menjauhi junction.  Bila suatu reverse bias dipasang pada sebuah pn-juction, depletion region (daerah kosong pembawa muatan) menjadi semakin lebar dan tegangan barrier semakin besar. Hanya ada arus reverse yang sangat kecil mengalir melintasi junction

Dengan demikian depletion region menjadi semakin lebar, potensial barrier semakin besar mengikuti kenaikan besarnya tegangan terpasang. Dengan potensial barrier semakin besar, maka tidak ada kemungkinan arus pembawa muatan mayoritas mengalir menlintasi junction. Dalam hal ini, junction itu dikatakan menjadi reverse biased. Meskipun tidak ada kemungkinan arus pembawa muatan mayoritas mengalir melintasi junction dalam keadaan reverse biased, pembawa-pembawa muatan minoritas yang timbul pada kedua sisi junction masih dapat melintasi junction. Elektron-elektron pada sisi-p ditarik melintasi juction ke potensial positip pada sisi-n. Hole-hole pada sisi-n bisa mengalir melintasi ke potensial negatip pada sisi-p. Forward-Biased Junction Misalkan sekarang tegangan bias eksternal dipasang dengan polaritas seperti gambar berikut ini: positip pada sisi-p dan negatip pada sisi-n. Hole pada sisi-p, sebagai partikel bermuatan positip ditolak oleh terminal positip tegangan bias dan hole bergerak menuju junction. Demikian pula, elektron-elektron pada sisi-n ditolak oleh terminal negatip tegangan bias dan bergerak menuju junction. Akibatnya, lebar depletion region berkurang dan potensal barrier juga berkurang. Jika, tegangan bias yang dipasang itu dinaikkan mulai dari nol, potensial barrier menjadi semakin kecil secara progresip sampai potensial barrier itu lenyap dengan efektip dan pembawa muatan dengan mudah melintasi junction. Elektron-elektron dari sisi-n ditarik melintasi ke terminal positip dari tegangan bias dan hole-hole bergerak dari sisi-p ditarik melintas ke terminal negatip dari tegangan bias. Jadi, timbul arus pembawa muatan mayoritas, junction disebut menjadi forwad biased. Bila forward bias dipasang pada pn-juction maka depletion region menjadi sempit, potensial barrier berkurang dan menimbulkan arus yang relatip besar mengalir

Daerah Deplesi Daerah deplesi atau daerah transisi adalah daerah yang sangat tipis dekat sambungan antara semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n pada sebuah diode. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang- elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai“drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift. Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.

Forward Bias Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya ke terminal katoda (K), maka dioda tersebut mendapatkan bias maju (foward bias). Dengan demikian VA-K adalah positip atau VA-K > 0. Gambar di bawah menunjukan dioda diberi bias maju. Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada Gambar, yakni VA-K positip, maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip baterai melewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa mayoritas bahan tipe n). Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip baterai untuk melewati persambungan. Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju. Dan arus dioda yang disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID. Sedangkan pembawa minoritas dari bahan tipe p (elektron) dan dari bahan tipe n (hole) akan berkombinasi dan menghasilkan Is. Arah Is dan ID adalah berlawanan. Namun karena Is jauh lebih kecil dari pada ID, maka secara praktis besarnya arus yang mengalir pada dioda ditentukan oleh ID.

Reserve Bias Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda. Dengan kata lain, tegangan anoda katoda VA-K adalah negatip (VA-K < 0). Analogi tersebut dapat dilihat pada gambar berikut:  Karena pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip, maka hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai menjauhi persambungan. Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan. Sehingga daerah pengosongan semakin lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas tidak ada yang mengalir. Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron (pada bahan tipe p) dan hole (pada bahan tipe n) akan berkombinasi sehingga mengalir arus jenuh mundur (reverse saturation current) atau Is. Arus ini dikatakan jenuh karena dengan cepat mencapai harga maksimum tanpa dipengaruhi besarnya tegangan baterai. Besarnya arus ini dipengaruhi oleh temperatur. Makin tinggi temperatur, makin besar harga Is. Pada suhu ruang, besarnya Is ini dalam skala mikro-amper untuk dioda germanium, dan dalam skala nano-amper untuk dioda silikon.

Sumber https://imronsyah.wordpress.com/dioda/ https://en.wikipedia.org/wiki/Depletion_region http://isktutorialtrt.blogspot.co.id/2010/04/bahan-semikonduktor-3-03.html http://el-tech.blogspot.co.id/2010/11/bias-maju-foward-bias.html http://el-tech.blogspot.co.id/2010/10/dioda-bias-mundur-reverse-bias.html http://www.nulis-ilmu.com/2015/07/prinsip-dasar-p-n-junction.html

Terima Kasih