MATA KULIAH ELEKTRONIKA 1 MATERI : STRUKTUR ATOM DAN SEMIKONDUKTOR PENGAMPU : DANNY KURNIANTO, ST

1. KLASIFIKASI BENDA Berdasarkan kemampuan menghantarkan listrik. Mudah menghantar arus listrik, memiliki banyak elektron bebas Konduktor Benda / Materi Semi- Konduktor Bukan konduktor yg baik dan bukan isolator yg baik Isolator Tidak bisa menghantarkan listrik, tidak memiliki atau sedikit elektron bebas

Apa itu bahan semikonduktor???? Harus tahu struktur atom bahan semikonduktor! Mengetahui dan memahami kerja bahan semikonduktor

2. Struktur atom Model Atom Bohr Atom tersusun dari inti atom (Nukleus) yang dikelilingi elektron-elektron yang mengitari pada setiap orbitnya masing-masing.

Setiap orbit terdiri dari satu atau beberapa suborbit, yang masing-masing dapat menampung sejumlah tertentu elektron. Keberadaan orbit, suborbit dan jumlah maksimum elektron pada setiap orbit maupun suborbit diperlihatkan pada tabel berikut ini:

Struktur atom bahan silikon Mempunyai 14 proton dan 14 elektron yg mengelilingi proton.

Struktur atom bahan Germanium Memiliki 32 proton dan 32 elektron yang mengelilingi proton

Level / Tingkat Energi Setiap orbit elektron menggambarkan level energi tertentu. Semakin tinggi level energinya maka semakin besar energi. Semakin jauh orbit elektron dari inti maka level energinya makin tinggi dan energinya makin besar.

Eksitasi Elektron Eksitasi adalah keadaan dimana elektron berpindah ke tingkat energi yg lebih tinggi. Untuk bereksitasi dibutuhkan energi dari luar seperti energi panas, cahaya, dan radiasi lainnya.

Pita Energi Pada kondisi sebenarnya, atom-atom akan saling mengikat dalam jumlah yang banyak. Sehingga level-level energi dari atom-atom tersebut akan saling berdekatan. Level-level energi yang berdekatan tersebut akan membentuk sebuah pita energi (energy band). Secara umum, pita energi terbagi kedalam dua daerah yang besar yaitu pita valensi dan pita konduksi. Elektron-elektron pada pita valensi terikat erat dengan inti atom sedangkan elektron-elektron pada pita konduksi dapat bergerak bebas atau mudah terlepas dari inti atom.

Selisih antara energi tertinggi pita valensi (Ev) dengan energi terendah pita konduksi (Ec) disebut sebagai celah energi (Eg). Karakteristik celah energi inilah yang mengelompokkan benda / materi menjadi konduktor, isolator atau semikonduktor.

Pita energi dan celah energi pada konduktor

Pita energi dan celah energi pada isolator

Pita energi dan celah energi pada semikonduktor

3. KRISTAL ATOM SILIKON DAN GERMANIUM Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor Di dalam tabel periodik unsur, maka silikon dan germanium termasuk ke dalam golongan IVA. Artinya memiliki 4 elektron valensi. 4 elektron valensi ini ikatannya dg inti atom tdk kuat dan mudah lepas dengan sedikit energi dari luar. Untuk stabil secara kimia, atom silikon dan germanium membutuhkan 8 elektron valensi sehingga setiap atom akan bergabung dengan atom yg lain untuk mencapai kondisi stabil.

Ketika kondisi stabil terjadi maka atom silikon dan germanium akan membentuk benda padat yg disebut kristal. Struktur 3 dimensi kristal atom silikon

Struktur 2 dimensi atom silikon

Kenaikan suhu menyebabkan terputusnya ikatan kovalen Jika ada energi dari luar atau kenaikan suhu maka gerakan atom-atom akan semakin meningkat sehingga bisa menyebabkan beberapa ikatan kovalen terputus. Terputusnya ikatan kovalen mengakibatkan terbentuknya elektron bebas yg berada pada pita konduksi. Pergerakan elektron bebas pada pita konduksi akan menimbulkan arus elektron.

Bersamaan dengan terlepasnya elektron ke pita konduksi maka akan terbentuk hole pada pita valensi. Gerakan hole pada pita valensi akan menimbulkan arus hole. Pada semikonduktor murni (intrinsik) maka jumlah elektron bebas sama dengan jumlah hole.

4. Semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik Semikonduktor intriksik Semikonduktor yang belum mengalami penyisipan oleh atom akseptor atau atom donor, dengan kata lain semikonduktor murni. Pada suhu tinggi ,elektron pada pita valensi dapat berpindah menuju pita konduksi, dengan menciptakan hole pada pita valensi. Pengahantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole.

Ada 2 kelemahan pada bahan semikonduktor intriksik yaitu: tidak terdapat cukup banyak elektron bebas dan hole shg tidak menghasilkan arus yg berguna seperti pada konduktor. Masalah rekombinasi yaitu proses hilangnya pembawa muatan karena kembali menyatu dengan hole. Untuk menghilangkan kelemahan tersebut, maka perlu dilakukan doping pada bahan semikonduktor tersebut. Doping adalah penambahan atom – atom impuritas ( non tetravalent ) pada kristal untuk menambah jumlah elektron bebas maupun hole. Semikonduktor yg telah di dop disebut semikonduktor ekstrintik.

Semikonduktor ekstrinsik Semikonduktor murni yg telah di doping dg bahan pengotor (akseptor atau donor). Karena proses doping, maka terbentuk 2 jenis semikonduktor yaitu semikonduktor-N dengan pembawa muatannya adalah elektron dan semikonduktor-P dengan pembawa muatannya adalah hole. Semikonduktor – N Menambahkan sejumlah kecil atom tak murni pentavalen ke atom semikonduktor murni. Misalnya unsur fosfor, arsen atau antimoni, yang memiliki orbit valensi dengan lima elektron.

Penambahan atom donor ini akan menambah jumlah elektron bebas tanpa meningkatkan jumlah hole. Pembawa muatan mayoritas adalah elektron dan pembawa muatan minoritas adalah hole.

Semikonduktor – P Menambahkan sejumlah kecil atom tak murni trivalen ke dalam semikonduktor murni. Misalnya Boron, Galium dan Indium. Unsur-unsur tersebut semuanya memiliki tiga elektron valensi. Meningkatkan jumlah hole tanpa meningkatkan jumlah elektron. Pembawa muatan mayoritas adalah hole dan pembawa muatan minoritas adalah elektron.

Sekian dan terima kasih