Bahan Semikonduktor TK – 33205 ELEKTRONIKA DASAR JURUSAN TEKNIK KOMPUTER FAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KOMPUTER UNIVERSITAS KOMPUTER INDONESIA
TEORI SEMIKONDUKTOR Kamis, 07 Desember 2017
PENDAHULUAN Elektronika : ilmu yang mempelajari sifat dan pemakaian devais yang kerjanya berdasarkan aliran elektron di dalam ruang hampa atau gas serta hole (lubang) di dalam semikonduktor. Aplikasinya pada Televisi (TV), radio, komputer, instrumentasi, alat kendali, dan peralatan komunikasi lainnya. Dasar-dasar SK: Teori atom SK Intrinsik SK Ekstrinsik Konduksi dalam SK Perubahan tegangan pada SK dengan doping tidak merata Kamis, 07 Desember 2017
1. Teori Atom Qe=Qp =1,6.10-19 C Proton (Q+) Inti Atom mengitari atom Neutron (Q=nol) Atom Elektron (Q -) Qe=Qp =1,6.10-19 C Kamis, 07 Desember 2017
Model dasar atom menurut BOHR : “ Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing” Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e) Konduktivitas atom tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi: Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektron valensi ). Kamis, 07 Desember 2017
TIGA JENIS BAHAN Konduktor Isolator Semikonduktor : Germanium Silikon
STRUKTUR ATOM GERMANIUM Inti atom dengan 32 proton Orbit pertama : 2 elektron Orbit kedua : 8 elektron Orbit ketiga : 18 elektron Orbit terluar : 4 elektron Elektron bebas Elektron valensi Valensi 4 Semikonduktor
STRUKTUR ATOM SILIKON Inti atom dengan 14 proton Orbit pertama : 2 elektron Orbit kedua : 8 elektron Orbit terluar : 4 elektron Elektron Valensi Elektron bebas Valensi 4 Semikonduktor
Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4 eV) Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi (4 eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antara konduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik. Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6 proton (2-4), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4) Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer 6 p (2-4) K L 14 p (2-8-4) M Kamis, 07 Desember 2017
Kamis, 07 Desember 2017
Dasar Semikonduktor Kamis, 07 Desember 2017
Kamis, 07 Desember 2017
Kamis, 07 Desember 2017
Hukum–hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit : Elektron pada kulit orbit tidak dapat berada pada ruang antara 2 kulit orbit Setiap kulit orbit sesuai dengan suatu energi. Semua elektron pada kulit orbit yang sama mempunyai energi yang sama. Jumlah energi akan naik jika jauh dari inti. Jadi elektron valensi mempunyai jumlah energi paling tinggi. Elekton yang meloncat dari kulit ke kulit maka elektron harus menyerap energi untuk mengatasi perbedaan energi antara jumlah enegi awal dan akhir. Bila no 3 terpenuhi maka elektron dapat melepas energi yang diserap dan kembali ke kulit yang berenergi rendah. Kamis, 07 Desember 2017
Celah energi adalah ruang antara setiap dua kulit orbit. Elektron melewati celah energi dan tidak dapat berada di dalam celah energi, pada gambar diatas elektron harus menyerap energi 1,1 eV (elektron valensi). Kamis, 07 Desember 2017
KRISTAL SILIKON 8 elektron valensi ikatan valensi stabil isolator 25o C ? isolator
PENGARUH TEMPERATUR temperatur > 0o K = - 273 oC atom bergetar elektron bebas hole kristal murni 25o C - rekombinasi - waktu hidup (lifetime) <<
2. SemiKonduktor Intrinsik Pada temperatur tinggi, elektron keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas dan terbentuk hole (lubang) Kamis, 07 Desember 2017
Pada temperatur tinggi bidang konduksi elektron bebas bidang celah energi bidang valensi hole Bidang energi kristal (x-tal) 00 K Pada temperatur tinggi Jika temperatur kristal dinaikkan sehingga elektron valensi yang energi termal melebihi maka elektron meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas. Kamis, 07 Desember 2017
Kekosongan pada ikatan kovalen elektron keluar harus bermuatan Q (+) kaena kristal harus netral. Kekosongan itu disebut hole atau lubang. a). 1 2 3 4 5 ion ke 2 mengisi hole pada ion ke 1 b). 1 2 3 4 5 ion ke 3 mengisi hole pada ion ke 2 c). 1 2 3 4 5 ion ke 4 mengisi hole pada ion ke 3 dan seterusnya arah aliran hole arah aliran elektron Jadi semikonduktor intrinsik pada K bersifat isolator dan pada temperatur tinggi bersifat konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan hole yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan Q. Kamis, 07 Desember 2017
Semikonduktor Intrinsik Kamis, 07 Desember 2017
- SEMIKONDUKTOR INTRINSIK (MURNI) 2 pembawa muatan + - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + - elektron bebas + lubang (hole)
3. SK Ekstrinsik dilakukan doping dengan memasukan atom asing bervalensi 5 atau 3 disebut semikonduktor ekstrinsik, untuk menyusun devais elektronik yang kaya akan satu jenis pembawa muatan : hole atau elektron saja. Semikonduktor jenis n Dengan doping atom asing bervalensi 5 sebagai atom donor karena ikatan kovalen memberikan satu elektron : P (fosfor), Ar (arsen), Sb(antimon) ke dalam semikonduktir intrinsik. Dengan menambahkan energi kecil pada elektron valensi, maka elektron masuk ke bidang konduksi. Dengan penambahan atom donor terjadilah elektron bebas disebut jenis-n. Kamis, 07 Desember 2017
Beda semikonduktor intrinsik dengan semikonduktor jenis-n Semikonduktor intrinsik, elektron bebas di sertai hole bergerak sebagai pembawa muatan. Semikonduktor jenis-n berbentuk elektron bebas, tidak disertai hole tetapi ion (+) yang tidak dapat bergerak. Semikonduktor jenis p Dengan doping atom asing bervalensi 3 sebagai atom akseptor karena ikatan kovalen memperoleh satu elektron : B (boron), Al (aluminium), dan Ga (Galium) kedalam semikonduktor intrinsik Kamis, 07 Desember 2017
Donor dan aseptor dalam tabel periodik Kamis, 07 Desember 2017
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE N Atom bervalensi lima - memberi 1 elektron - atom donor elektron bebas > hole mayoritas minoritas
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE P Atom bervalensi tiga - mengurangi 1 elektron - atom akseptor elektron bebas < hole minoritas mayoritas
SEMIKONDUKTOR TIPE P - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + SEMIKONDUKTOR TIPE N
Ada dua penghantar arus : 4. Konduksi di dalam SemiKonduktor Partikel yang menghantarkan arus dalam semikonduktor adalah: elektron dan hole. Ada dua penghantar arus : 1. Arus difusi adalah suatu penghantar arus I di dalam semikonduktor karena tidak meratanya konsentrasi hole p partikel atau terjadi gradient konsentrasi 2. Arus Drift adalah suatu partikel bermuatan dia dalam medan listrik (elektris) akan bergerak dibawah gaya F tarik dan tolak elektris. Idrift ~ Energi E. Jumlah kedua arus disebut arus total. Kamis, 07 Desember 2017
Arus Semikonduktor Kamis, 07 Desember 2017
Arus Semikonduktor Kamis, 07 Desember 2017
Elektron dan Hole Kamis, 07 Desember 2017
DIODA TANPA PRATEGANGAN (Unbiased Diode) Tipe p Tipe n - + + - - - -
- - - - - pn junction Elektron tolak-menolak Difusi elektron ke tipe p + - - - - Elektron tolak-menolak Difusi elektron ke tipe p Rekombinasi Dipole
- - - - Depletion layer Dipole Medan listrik Barrier potensial + - - - Dipole Medan listrik Barrier potensial Dioda Germanium 0,3 V Dioda Silikon 0,7 V
PRATEGANGAN MAJU (FORWARD BIAS) elektron valensi elektron bebas - + - - - p n
PRATEGANGAN BALIK (REVERSE BIAS) hole elektron - + - - p n
SIMBOL DIODA Komponen dengan dua elektroda (terminal) Anoda A K Katoda Komponen dengan dua elektroda (terminal) Hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah saja Model dioda : Pendekatan pertama (ideal) Pendekatan kedua Pendekatan ketiga
DIODA IDEAL VD ID sembarang VD = 0 VD = VA - VK VD sembarang ID = 0 ID forward bias ID sembarang VD ID VD = 0 reverse bias VD = VA - VK VD sembarang ID = 0
DIODA Lambang dioda : Karakteristik dioda :
Pendekatan dioda :
Latihan Soal 1). Hitunglah konsentrasi hole dan elektron didalam germanium (Ge) tipe-p dengan suhu 3000 K bila resitivitas 0,02 Ω.cm dan mobilitas hole (µp) 1800 cm2 /volt .dtk 2). Sama dengan no.1 tetapi untuk silikon (Si) tipe-n bila resitivitasnya 20 Ω.cm dan mobilitas elektron silikon (µn) 1300 cm2 /volt. detik 3). SK doping berundak dimana konsentrasi atom donor = 102 konsentrasi atom akseptor, konsentrasi atom akseptor 1 atom akseptor per 108 atom Ge. Hitunglah potensial kontak Vo pada suhu 300oK jika diketahui konsentrasi atom Ge 4,4 x 1028 atom⁄ m3 dan konsentrasi atom intrinsik = ni = 2,5 x 1013 serta potensial VT = 0,0259 Volt. Konsentrasi atom akseptor 10-8 konsentrasi atom Ge. Kamis, 07 Desember 2017