Modul 6 : Kristal Semikonduktor Inisiasi 6 Modul 6 : Kristal Semikonduktor

Kompetensi 1. menjelaskan teknik pengukuran energi celah; 2. menjelaskan arti fisis dari massa efektif; 3. menjelaskan lintas alasan mengapa hole dianggap partikel yang bermuatan positif; 4. menghitung konsentrasi elektron dan hole dalam semikonduktor intrinsik 5. menentukan tingkat energi atom-atom donor dan akseptor; 6. menghitung konsentrasi elektron dan hole dalam semikonduktor ekstrinsik.

Kristal Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang berbuat dari satu jenis unsur kimia. Contoh: Silikon (Si), dan Germanium (Ge). Untuk memahami tingkah laku elektron konduksi di dalam zat padat, diperlukan pemahaman tentang bagan pita energi untuk semikonduktor seperti yang penuh (atau hampir penuh) elektron disebut pita valensi, dan pita di atasnya yang sedikit terisi elektron (atau kosong) disebut pita konduksi. Dan celah antara batas atas pita valensi dengan batas bawah pita konduksi disebut celah energi (Eg). Inisial g berasal dari kata gap atau celah.

Teknik pengukuran energi celah Dua cara mengukur nilai energi celah: Teknik penyerapan secara langsung Teknik penyerapan secara tidak langsung A. Teknik Penyerapan secara langsung Dalam teknik ini, kristal semikonduktor yang akan diukur celah energinya dijatuhi foton monokromatik dengan energi mulai dari yang kecil sampai yang besar sedemikian rupa sehingga terjadi penyerapan foton oleh Kristal. Sehingga, nilai energi foton yang menyebabkan mulai terjadinya penyerapan foton oleh kristal adalah sama dengan nilai energi celah dari kristal semikonduktor itu

Teknik Penyerapan langsung Persentase penyerapan foton Pada saat mulai terjadi penyerapan foton oleh kristal berarti elektron-elektron pada pita valensi mulai memperoleh energi yang cukup untuk meloncati celah energi (Eg) sehingga pada saat ini timbul hole (lubang) di pita valensi dan elektron konduksi di pita konduksi. Oleh karena itu, tepat pada saat mulai terjadi penyerapan, energi foton yang diserap kristal (untuk eksitasi elektron) adalah tepat sama dengan nilai celah energi dari kristal semikonduktor tersebut.

Teknik Penyerapan Tidak langsung Pada teknik penyerapan tak langsung di samping melibatkan elektron dan hole, juga melibatkan partikel lain, yaitu fonon. Fonon diserap oleh kristal atau timbul di dalam kristal sehingga pada proses ini kita akan memperoleh tiga partikel, yaitu elektron konduksi, hole, dan fonon. Berikut Kurva penyerapan sebagai fungsi energi untuk teknik penyerapan tak langsung. bahwa awal penyerapan terjadi pada saat energi foton Monokromatik Pada proses ini berarti fonon muncul di dalam kristal semikonduktor bersamaan dengan munculnya hole di pita valensi dan elektron di pita konduksi. Jika nilai maka berarti bahwa fonon bersama foton diserap oleh kristal semikonduktor

Arti Fisis Massa Efektif Massa Efektif didefinisikan sebagai:

Lima Alasan Hole Dianggap Sebagai Partikel Bermuatan Positif Sebelum elektron itu pindah, jumlah total vektor gelombang (k) elektron dalam sebuah pita valensi yang terisi penuh elektron adalah nol Energi hole di pita valensi adalah sama besar dan berlawanan tanda dengan energi elektron di pita konduksi Kecepatan kelompok hole adalah sama dengan kecepatan kelompok elektron Massa efektif hole sama besar dan berlawanan tanda dengan massa efektif elektron Persamaan gerak untuk hole adalah berlawanan tanda dengan persamaan gerak elektron

Konsentrasi Elektron dan Konsentrasi Lubang (hole) Beberapa poin penting: Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron konduksi adalah sama dengan jumlah lubang (hole) konsentrasi elektron konduksi di pita konduksi (hole di pita valensi) adalah bergantung pada energi luar dan pada celah energi (Eg) variabel yang mempengaruhi konsentrasi elektron atau konsentrasi hole adalah suhu (T) dan celah energi (Eg) dari semikonduktor itu sendiri Konsentrasi (n) elektron konduksi didefinisikan sebagai jumlah elektron konduksi persatuan volume pada suhu 300 K, yang ditulis sebagai 5. Konsentrasi hole dalam pita valensi semikonduktor intrinsik adalah

Kristal Semikonduktor Ekstrinsik Tingkat Energi Donor Atom-atom donor adalah atom-atom yang menyumbang kelebihan satu elektron. Elektron-elektron yang berasal dari atom donor dalam semikonduktor tipe-N akan mengorbit atom donor itu sendiri. Elektron-elektron tersebut sangat mudah melepaskan diri dari atom donor dan pindah ke pita konduktif untuk berfungsi sebagai elektron konduksi, dan atom donor akan menjadi ion positif. Dengan sedikit tambahan energi dari luar maka elektron itu akan mampu loncat ke pita konduksi. Dengan demikian, dapat dengan mudah dipahami bahwa tingkat energi donor sangat dekat ke pita konduksi

Kristal Semikonduktor Ekstrinsik Tingkat Energi Donor Agar elektron berpindah dari atom donor ke pita konduksi maka atom donor diionisasi dengan energi dari luar. Oleh karena orbit dari elektron dalam atom donor ini mirip dengan orbit elektron dalam atom hidrogen maka nilai energi ionisasinya pun dapat menggunakan persamaan energi ionisasi untuk atom hidrogen, tetapi dengan sedikit modifikasi karena adanya efek screening tadi. Energi ionisasi atom donor (Ed) sebesar:

Kristal Semikonduktor Ekstrinsik Tingkat Energi Akseptor Atom akseptor adalah atom-atom yang “meminjam/menerima” satu elektron. Pindahnya elektron dari semikonduktor murni ke atom donor menimbulkan lubang (hole) di dalam kristal semikonduktor. Lubang-lubang ini bebas bergerak di sepanjang kristal. Dengan demikian, pengotoran semikonduktor murni oleh atom akspetor dalam jumlah yang cukup besar akan menghasilkan semikonduktor tipe-P dengan konsentrasi hole yang cukup tinggi.

Kristal Semikonduktor Ekstrinsik Tingkat Energi Akseptor Dengan adanya tambahan satu elektron pada setiap atom akseptor maka atom-atom akseptor tersebut sudah terioniasai dan menjadi ion negatif. Oleh karena itu, hole-hole yang bermuatan positif akan ditarik oleh atom-atom akseptor. Timbulnya hole semikonduktor tipe-P adalah akibat pindahnya elektron dari pita valensi semikonduktor intrinsik ke dalam atom akseptor untuk berikatan secara kovalen dengan atom-atom tetangganya (dalam hal ini Si atau Ge murni). Oleh karena itu, letak tingkat energi akseptor adalah sedikit di atas pita valensi

Konsentrasi Elektron Pada Semikonduktor Ekstrinsik Konsentrasi elektron di dalam semikonduktor elektronik tipe N merupakan gabungan dari konsentrasi elektron yang secara termal tereksitasi dalam semikonduktor intrinsik dengan konsentrasi atom-atom donor (Nd). Jika di dalam semikonduktor ekstrinsik ini hanya ada atom-atom donor dan tidak ada atom-atom akseptor maka secara matematika konsentrasi elektron konduksi secara keseluruhan di dalam semikonduktor ekstrinsik tersebut adalah:

Konsentrasi Hole pada Semikonduktor Ekstrinsik Konsentrasi hole dalam semikonduktor tipe-P juga merupakan gabungan dari hole yang timbul secara termal akibat elektron loncat ke pita konduksi dengan hole yang berasal dari atom-atom akseptor (golongan III-A). Sehingga secara matematika konsentrasi hole ini dapat ditulis sebagai berikut: