View
293
Download
14
Category
Preview:
Citation preview
TK – 33205ELEKTRONIKA DASAR
JURUSAN TEKNIK KOMPUTERFAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KOMPUTER
UNIVERSITAS KOMPUTER INDONESIA
Bahan Semikonduktor
Senin 8 Mei 2023 2
TEORI SEMIKONDUKTOR
Senin 8 Mei 2023 3
• 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.
PENDAHULUAN
• Aplikasinya pada Televisi (TV), radio, komputer, instrumentasi, alat kendali, dan peralatan komunikasi lainnya.• Dasar-dasar SK:1. Teori atom2. SK Intrinsik3. SK Ekstrinsik4. Konduksi dalam SK5. Perubahan tegangan pada SK dengan doping tidak
merata
Senin 8 Mei 2023 4
Proton (Q+)
Inti Atom mengitari atom
Neutron (Q=nol)Atom
Elektron (Q -)
1. Teori Atom
Qe=Qp =1,6.10-19 C
Senin 8 Mei 2023 5
• 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:
a. Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna
b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator
Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektronvalensi ).
TIGA JENIS BAHAN
Konduktor Isolator Semikonduktor :
1. Germanium2. Silikon
----
-
--
--
---
--
-
--- -
--
-
-
--
-
--
-
-
-
-
+32
STRUKTUR ATOM GERMANIUM
Inti atom dengan 32 proton
Orbit terluar : 4 elektron
Elektron bebas
Elektron valensi
Valensi 4 Semikonduktor
Orbit ketiga : 18 elektron
Orbit kedua : 8 elektron
Orbit pertama : 2 elektron
STRUKTUR ATOM SILIKON
Inti atom dengan 14 proton
Orbit terluar : 4 elektron
Elektron Valensi
Elektron bebas
Orbit kedua : 8 elektron
Orbit pertama : 2 elektron
---
-
-
-
-- -
- -
-
-
-
+14
Valensi 4 Semikonduktor
Senin 8 Mei 2023 9
• 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)
KL
14 p (2-8-4)
KL
M
Senin 8 Mei 2023 10
Senin 8 Mei 2023 11
Dasar Semikonduktor
Senin 8 Mei 2023 12
Senin 8 Mei 2023 13
Senin 8 Mei 2023 14
Hukum–hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit :1. Elektron pada kulit orbit tidak dapat berada pada ruang antara 2 kulit
orbit2. 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.
3. Elekton yang meloncat dari kulit ke kulit maka elektron harus menyerap energi untuk mengatasi perbedaan energi antara jumlah enegi awal dan akhir.
4. Bila no 3 terpenuhi maka elektron dapat melepas energi yang diserap dan kembali ke kulit yang berenergi rendah.
Senin 8 Mei 2023 15
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).
KRISTAL SILIKON8 elektron valensi
stabil
isolator
ikatan valensi
25o C ?
PENGARUH TEMPERATUR
temperatur > 0o K = - 273 oC
elektron bebas
hole
atom bergetar
25o Ckristal murni
- rekombinasi- waktu hidup (lifetime) <<
Senin 8 Mei 2023 18
2. SemiKonduktor Intrinsik
• Pada temperatur tinggi, elektron keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas dan terbentuk hole (lubang)
Senin 8 Mei 2023 19
cE
gE
vE
bidang konduksi
elektron bebas
bidang celah energi
bidang valensi
hole
Bidang energi kristal (x-tal) 00 K
Pada temperatur tinggi
cE
vE
• Jika temperatur kristal dinaikkan sehingga elektron valensi yang energi termal melebihi maka elektron meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas.
Senin 8 Mei 2023 20
• 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.
Senin 8 Mei 2023 21
Semikonduktor Intrinsik
A C D
E
F
B
SEMIKONDUKTOR INTRINSIK (MURNI)
2 pembawa muatan- elektron bebas+ lubang (hole)
- - - - - - - - - - + + + + + + + + + +
+ -
Senin 8 Mei 2023 23
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.
Senin 8 Mei 2023 24
Beda semikonduktor intrinsik dengansemikonduktor 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
Senin 8 Mei 2023 25
Donor dan aseptor dalam tabel periodik
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE N
Atom bervalensi lima
- memberi 1 elektron
elektron bebas > hole
- atom donor
mayoritas minoritas
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE P
Atom bervalensi tiga
- mengurangi 1 elektron
elektron bebas < hole
- atom akseptor
minoritas mayoritas
- - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + ++ + + + + + + ++ + + + + + + + - - - - - - - - - -
SEMIKONDUKTOR TIPE N
SEMIKONDUKTOR TIPE P
Senin 8 Mei 2023 29
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 gradientkonsentrasi 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.
Senin 8 Mei 2023 30
Arus Semikonduktor
Senin 8 Mei 2023 31
Arus Semikonduktor
Senin 8 Mei 2023 32
Elektron dan Hole
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
DIODA TANPA PRATEGANGAN
(Unbiased Diode)
Tipe p Tipe n
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
+ + + +- - - -
pn junction
Elektron tolak-menolak
Rekombinasi Dipole
Difusi elektron ke tipe p
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
+ + + + - - -
+ + + + - - -
+ + + + - - -
+ + + + - - -
Depletion layer
Dipole Medan listrik Barrier potensial
Dioda Germanium 0,3 V Dioda Silikon 0,7 V
PRATEGANGAN MAJU (FORWARD BIAS)
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
-+
-+
-+
-
+ + + + - - -
+ + + + - - -
+ + + + - - -
+ + + + - - -
p n
elektron bebaselektron valensi
PRATEGANGAN BALIK (REVERSE BIAS)
-+
-+
- -
-+
-+
- -
-+
-+
- -
-+
-+
- -
+ + + + - -
+ + + + - -
+ + + + - -
+ + + + - -
p n
hole elektron
SIMBOL DIODA
K A
Komponen dengan dua elektroda (terminal) Hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah saja Model dioda :
Anoda Katoda
Pendekatan pertama (ideal)
Pendekatan kedua
Pendekatan ketiga
DIODA IDEAL forward bias
VD
ID
VD = VA - VK
reverse bias
VD sembarang ID = 0
ID sembarang
VD = 0
DIODA
Lambang dioda :pn
ANODA
KATODA
Karakteristik dioda :
V S V D
R
REVERSEREGION
FORWARDREGIONBREAKDOWN
LEAKAGECURRENT
KNEE
I
V
Pendekatan dioda :IDEAL
REVERSE BIAS
V
I
FORWARD BIAS
PENDEKATAN KE - 2
REVERSE BIAS
O,7 V
V
I
FORWARD BIAS
O,7 V
PENDEKATAN KE - 3
REVERSE BIAS
O,7 V rB
V
I
FORWARD BIAS
O,7 V rB
Senin 8 Mei 2023 42
Latihan Soal1). 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.
Senin 8 Mei 2023 43
• Solusi pr : 8. Bab III Semikonduktor.doc
Recommended