KULIAH BAHAN LISTRIK 3

5/28/2018 KULIAH BAHAN LISTRIK 3

1/31

BAHAN SEMI KONDUKTOR

adalah suatu material dengan sifat konduktivitas diantara

konduktor dan isolator, contoh Silikon (Si), Ge (Germanium).

Saat ini Si umumnya digunakan sebagai devais elektronik,

seperti dioda, transistor, IC (integrated circuit) namun GaAs

memiliki potensi yang besar untuk digunakan sebagai devaiselektronika pada masa datang, terutama ditujukan untuk

beroperasi pada frekuensi tinggi

Contoh Semikonduktor :

Dioda

LED

Transistor Bipolar

FET

Op-Amp


2/31

Untuk menjelaskan konduktivitas bahan sering kali menggunakan

konsep pita energi. Ada dua pita energi, yaitu pita valensi dan pita

konduksi.

Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh

elektron dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N

elektron dengan N adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron

yang tersisa akan mengisi pita konduksi. Pada suhu 0 K, pitakonduksi terisi sebagian untuk bahan konduktor, sedangkan untuk

isolator dan semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita

konduksi.

Perbedaannya terletak pada energi gap Eg yaitu selang

energi antara pita konduksi minimum dan pita valensi maksimum.

Pada bahan semikonduktor Eg ~ 1 eV, sedang pada isolator Eg ~

6 eV Secara diagramatik pita energi dari isolator, semikonduktor

dan konduktor ditunjukkan pada gambar berikut


3/31


4/31

1. Struktur Atom

Semikonduktor

Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki

sifat-sifat kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu

atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron,

proton, dan elektron. Dalam struktur atom, proton danneutron membentuk inti atom yang bermuatan positip

dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip

mengelilingi inti.

Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Strukturatom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang

paling banyak digunakan adalah silikon dan germanium


5/31

Gambar Struktur Atom (a) Silikon; (b)

Germanium


6/31

Seperti Gambar 1 atom silikon memiliki elektron yang mengelilingi inti

sebanyak 14 dan germanium mempunyai 32 elektron.

Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan

jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 Cdan muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.

Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai elektron valensi.

Atom silikon dan germanium masing mempunyai empat elektron valensi.Oleh karena itu baik atom silikon maupun atom germanium disebut juga

dengan atom tetra-valent (bervalensi empat).

Empat elektron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga

setiap elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron

valensi dari atom-atom yang bersebelahan.

Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua dimensi

pada Gambar 2


7/31

Gambar 2. Struktur Kristal Silikon dengan Ikatan

Kovalen


8/31

Teorema Pita Energi Kristal

Dalam sistem susunan berkala unsur-unsur, atom

Si termasuk golongan IV, jadi ada 4 elektron

pada orbit terluarnya. Masing-masing atom Si

membentuk struktur kristal dengan atom-atomtetangganya dan elektron-elektron valensinya

membentuk ikatan kovalen, sehingga masing-

maing atom seolah-olah memiliki 8 elektron

terluar dengan 4 elektron berasal dari miliknyasendiri sedang 4 elektron lainnya berasal dari 4

atom tetangga terdekatnya.

Susunan ini membentuk kristal silikon intrinsik

dengan muatan total = 0 coulomb


9/31

Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa

saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju

daerah konduksi apabila diberikan energi panas.

Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron

dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau

disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang

lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan silikon murni

(intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium.

Semakin besar energi panas yang diberikan semakin banyak

jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan kovalen, dengan

kata lain konduktivitas bahan meningkat.


10/31

Struktur Kristal Semikonduktor (Silikon)


11/31

a er sum er a an a a arus s r ya ng menga rdalam

kristal tsb. Elektron akan bergerak ke kutub positif sumber DC

tsb

sedangkan hole akan bergerak berlawanan arah


12/31

Mobilitas dan Konduktivitas

Arus listrik pada metal terjadi akibat perpindahan elektron,

sedang pada semikonduktor bergantung pada elektron

dan hole. Semikonduktor dapat di-dope menjadi:

a. dominan hole menjadi tipe-p

b. dominan elektron menjadi tipe-n

Hal ini berarti bahwa semikonduktor tipe-n memiliki jumlah

elektron bebas lebih banyak dibandingkan dengan

jumlah hole dan sebaliknya untuk tipe-p jumlah hole

lebih banyak dari jumlah. Karena itu elektron pada tipe-n

disebut pembawa muatan mayoritas dan hole adalah

pembawa muatan minoritas, sebaliknya pada tipe-p

elektron adalah pembawa muatan minoritas sedangkan

hole adalah pembawa muatan mayoritas


13/31

Semikonduktor Instrinsik


14/31

Untuk memperbesar

konduktivitasbahan semikonduktor itu diberi doping, akibatnya bahan itu itu akan

menjadi tipe-n atau tipe-p, tergantung doping-nya, sehingga

menjadi semikonduktor ekstrinsik.

Dopan dikelompokkan sebagai:

a. donor,diberi impuritas yang bervalensi +5 (misalnya P, As,Sb)menjadi tipe-n

b. akseptor ,diberi impuritas yang bervalensi +3 (misalnya Bo,In,

Ga, B) menjade tipe-p

Konsentrasi doping ~ 1 ppm. Dengan adanya doping maka akan

berakibat n p, sehingga konduktivitasnya menjadi :

untuk tipe-n d = nqn

untuk tipe-p a p =pq

dengan n dan p adalah masing-masing konsentrasi impuritas untuk

donor dan akseptor


15/31

dengan n dan p adalah masing-masing konsentrasi

impuritas untuk donor dan akseptor.

Pada saat pemberian impuritas donor (tipe-n) akan

muncul tingkat energi yang diperbolehkan di bawahenergi pita konduksi terendah yaitu sekitar 0,01 eV

(untuk Ge) dan 0,05 eV (untuk Si). Sehingga pada

suhu kamar hampir semua elektron donor berada di pita

konduksi.Untuk impuritas akseptor (tipe-p) juga akan muncul

tingkat energi di atas tingkat energi pita valensi tertinggi.

Karena hanya perlu energi kecil saja elektron dari pita

valensi berpindah ke tingkat energi akseptor akibatnyaakan timbul hole di pita valensi.


16/31


17/31


18/31


19/31

Sifat-sifat listrik dari Ge dan

Si


20/31


21/31


22/31

Difusi


23/31

Semikonduktor Tipe N


24/31


25/31


26/31


27/31


28/31

Semikonduktor Tipe P


29/31


30/31


31/31

Documents

KULIAH BAHAN LISTRIK 3