SEPARUH PENGALIR 1

unit

1:unit

1:

Mempelajari dan memahami ciri-ciri dan sifat elektrik separuh pengalir

Mentakrif separuh pengalir dan menyatakan silikon dan Germanium adalah bahan separuh pengalir

Menyatakan ciri-ciri bagi separuh pengalir jenis-N dan P

SEPARUH PENGALIR

1.1 APAKAH SEPARUH PENGALIR DAN CONTOH-CONTOHNYA   :

Untuk memudahkan kita mengenali sifat separuh pengalir, kita harus mengkaji struktur atom sesuatu bahan terlebih dahulu.

2

1.0 PENGENALAN

Unit ini merupakan unit permulaan bagi modul ini yang mengandungi 11 unit keseluruhannya. Diharap anda dapat memahami keseluruhan unit-unit secara berperingkat.

Dalam unit ini, kita akan lebih membincangkan tentang ciri-ciri dan sifat elektrik separuh pengalir kerana ia banyak digunakan dalam litar elektronik dan sering bersangkutan dengan kehidupan harian kita.

Struktur atom adalah satu elemen terkecil bagi sesuatu bahan. Model struktur atom telah diperkenalkan oleh Niels Bohr dalam tahun 1913. Menurut model tersebut, elemen yang bercas negatif bergerak dalam bentuk bulatan atau elips yang mengelilingi satu nukleas bercas positif. ( Rujuk Rajah 1.0a ) :

Elektron ( bercas negatif (-))

Nukleas i. Proton ( bercas positif + ) ii. Neotron ( Nuetral )

Rajah 1.0 : Elektron mengelilingi nukleas

….. Selamat Mencuba ……

SEPARUH PENGALIR

Tahukah Anda ?

….Bahawa ….jumlah bilangan proton di nukleas dan elektron yang mengelilingi nukleas bagi

setiap atom adalah sama.

1.1.1 Struktur Atom

Dalam atom, terdapat maksimum 7 lapisan orbit ( atau petala ). Setiap Lapisan dikenali sebagai lapisan K, l, M, N, O, P dan Q ( Atau 1-7 ). Bilangan maksima elektron dalam satu lapisan ditentukan oleh rumus :

2 x n2 n ialah nombor kedudukan lapisan

jadi … bilangan maksima elektron bagi setiap lapisan ialah :

Lapisan K ( 1 ) : 2 x 12 = 2Lapisan L ( 2 ) : 2 x 22 = 8Lapisan M ( 3 ) : 2 x 32 = 18Lapisan N ( 4 ) : 2 x 42 = 32Lapisan O ( 5 ) : 2 x 52 = 50Lapisan P ( 6 ) : 2x 62 = 72Lapisan Q ( 7 ) : 2 x 72 = 98

Contoh 1 :

Aluminium mengandungi 13 elektron jadi tentukan bilangan elektron yang terdapat bagi setiap lapisan. :

3

+13

Lapisan K : 2 elektron

Lapisan L : 8 elektron

Lapisan M: 3 elektron( bilangan maksima elektron yang boleh diisi dalam lapisan ini ialah 18 tetapi disebabkan baki elektron yang tertinggal ialah 3 jadi elektron yang terdapat dalam lapisan ini hanyalah 3 )

2 + 8 + 3 = 13

+1

ElektronNukleas :Mengandungi Proton & Nuetron

SEPARUH PENGALIR

Lapisan yang paling luar bagi satu atom dinamakan lapisan valens dan elektron pada lapisan ini dikenali sebagai elektron valens ( ia merupakan pembawa arus ). Lapisan ini tidak akan memuatkan lebih daripada 8 elektron valens. Bilangan elektron vales inilah yang akan menentukan sifat elektrik sesuatu bahan.

( Rujuk jadual 1.0b ) :

Kandungan Sifat Bahan

Catatan

1 - 3 elektron valens

Pengalir Boleh mengalirkan arus elektrik. Mempunyai rintangan yang

rendah untuk memudahkan pengaliran arus

Atomnya cenderung untuk melepaskan elektron valensnya dan menjadi elektron-elektron yang bebas bergerak dari satu atom ke atom yang lain.

5 – 8 elektron valens

Penebat Tidak boleh mengalirkan arus elektrik.

Mempunyai kerintangan yang tinggi .

Atomnya cenderung untuk menerima elektron vales daripada atom yang lain bagi memenuhkan lapisan valens dan menjadikan ia sebagai atom stabil dan mampu menghindar dari sebarang aktiviti elektrik atau kimia.

4 elektron valens

Separuh pengalir

Keadaannya adalah di antara perantaraan Pengalir dan Penebat.

Tidak mudah untuk membuang / menerima elektron valens daripada atom yang lain.

1.1.2 Silikon Dan Germanium sebagai Contoh Separuh Pengalir.

4

SEPARUH PENGALIR

Selepas ini kita akan melihat lebih lanjut mengenai separuh pengalir kerana ia banyak digunakan dalam pembuatan komponen-komponen elektronik (contohnya diod, transistor dan litar bersepadu).

Dalam pembuatan, dua bahan separuh pengalir yang sering digunapakai ialah Silikon dan Germanium.

Cuba kita lihat struktur atom bagi Silikon dan Germanium. (Rujuk rajah 1.2 dan 1.3).

Dari rajah, kita dapat melihat pada lapisan terakhir (lapisan valens) kedua-dua atom berikut mengandungi 4 elektron valens. Untuk makluman anda, elektron valens adalah pembawa arus.

Seandainya satu-satu atom yang mempunyai 4 elektron valens ia dianggap tidak stabil. Ia akan cuba melengkapkan elektron valensnya dari 4 e.v ke 8 e.v dengan cara mengikut atom lain dan berkongsi elektron. Perkongsian elektron ini disebut ‘ Ikatan Kovelen’.

5

Rajah 1.2Struktur Atomik bagi

Silikon

Rajah 1.3Struktur Atomik bagi

Germanium

lapisan valensyang mengandungi4 elektron valens

14

32

SEPARUH PENGALIR

1.1.2.1 Ikatan Kovalen :

Rajah 1.4 , menunjukkan susunan atom atom silikon. (Oleh sebab keadaan yang menentukan sifat separuh pengalir atau tidak adalah bergantung kepada elektron valens di lapisan valens sahaja, maka kita ringkaskan rajah dengan hanya melukis bahagian lapisan luar sahaja)

Cuba anda bilang jumlah elektron yang terdapat pada atom silikon di bahagian tengah yang telah berkongsi semua elektronnya dengan atom jiran. Kita akan mendapati ia kelihatan seolah-olah mempunyai 8 elektron valens.

Ini menjadikan setiap setiap atom itu stabil dan ikatannya teguh. Ia akan berkelakuan seolah-olah penebat pada suhu bilik. Tetapi terdapat beberapa faktor yang dapat mengganggu kestabilan atom tersebut iaitu : Faktor haba, kenaikan suhu, bezaupaya dan proses serapan.

Seandainya satu voltan kecil diberikan melintasi bahan ini, hanya arus kecil akan terbina ( sedikit elektron terbebas ). Tiba-tiba suhu meningkat, banyak elektron akan meninggalkan ikatan . Pada masa yang sama voltan kecil tadi masih terus dibekalkan, ini akan menyebabkan ada arus mengalir ( pergerakan elektron bebas ). Pada masa ini ia akan bersifat seolah-olah pengalir.

6

Si

Si

SiSiSi

Rajah 1.4 : Ikatan Kovalen

Si

Si

Si

Si

SEPARUH PENGALIR

Jika dibandingkan diantara silikon dan germanium, silikon boleh menerima haba yang lebih sebelum ia menjadi pengalir. Ini akan dapat mengelakkan komponen yang menggunakan separuh pengalir ini dari mudah rosak.

Jadi oleh kerana barangan pengguna memerlukan bekalan kuasa masukan ( dan boleh menghasilkan haba ), kebanyakkan dari komponen separuh pengalir diperbuat dari silikon.

7

Bilangan maksima elektron dalam satu-satu lapisan ditentukan oleh rumus :

2 x n 2

Nilai elektron valens pada lapisan valens menentukan sifat sesuatu bahan, samada pengalir, penebat atau separuh pengalir.Pengalir : 1 – 3 e.vPenebat : 5 – 8 e.vSeparuh Pengalir : 4 e.v

Sifat separuh pengalir berada di antara sifat penebat dan Pengalir. Ia tidak mudah melepaskan elektron seperti Pengalir dan Ia tidak mudah menerima elektron seperti Penebat.

Contoh 2 separuh pengalir yang sering digunakan ialah Silikon dan Germanium.

Ikatan Kovelen ialah perkongsian elektron valens satu atom dengan elektron valen atom jirannya.

Tips Penting :

SEPARUH PENGALIR

Sebelum anda ke input seterusnya, mari kita uji kefahaman anda dalam input ini melalui soalan-soalan aktiviti dibawah

1a-1. Faktor apakah yang membezakan bahawa sesuatu bahan itu merupakan pengalir, penebat atau separuh pengalir ?

1a-2. Padan suaikan gambarajah berikut dengan pasangan dan keterangannya .

8

Helium mengandungi 2 elektron.

PENGALIR

- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.

Karbon mengandungi 6 elektron

Germanium mengandungi 32 elektron

L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

Fosforus mengandungi 15 elektron

32

PENEBAT

SEPARUHPENGALIR

tidak boleh mengalirkanarus.Rintangannya tinggiAtomnya stabil

-Ciri-cirinya berada di antara pengalir dan penebat.Ia tidak mudah membuang atau menerima elektron valens dari atom lain.

SEPARUH PENGALIR

1a-3. Atom __________dan ____________ mengandungi ____ elektron valens dan ia adalah ________________. Ia cuba menjadi stabil dengan ____________ elektron dengan atom lain.

1a-1. Faktor yang membezakan antara pengalir, separuh pengalir dan penebat ialah bilangan elektron valens pada lapisan valens.

1a-2

1a-3. Atom Germanium dan Silikon mengandungi 4 elektron valens dan ia adalah tidak stabil. Ia cuba menjadi stabil dengan berkongsi elektron dengan atom lain.

9

Helium mengandungi 2 elektron.

PENGALIR

- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.

Karbon mengandungi 6 elektron

Germanium mengandungi 32 elektron

L1 : _2_L2 : _-_L3 : _-_L4 : _-_L5 : _-_L6 : _-_L7 : _-_

L1 : _2_L2 : _4_L3 : _-_L4 : _-_L5 : _-_L6 : _-_L7 : _-_

L1 : _2_L2 : _8_L3 : _4_L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

L1 : _2L2 : _8_L3 : _5_L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __

Fosforusmengandungi 15 elektron

32

+6

+6

PENEBAT

SEPARUHPENGALIR tidak boleh mengalirkan

arus.Rintangannya tinggiAtomnya stabil

-Ciri-cirinya berada di antara pengalir dan penebat.Ia tidak mudah membuang atau menerima elektron valens dari atom lain.

SEPARUH PENGALIR

Sekiranya anda telah memahami semua penerangan dalam input ini, bolehlah anda teruskan ke input hadapan. Tetapi …. Sekiranya tidak anda dinasihatkan berjumpa pensyarah anda

untuk mendapatkan penerangan tambahan kerana input hadapan adalah berdasarkan pemahaman dari input ini.

1.2 CIRI – CIRI SEPARUH PENGALIR JENIS-N DAN JENIS-P.

Bahan jenis N dan jenis P sebenarnya terbentuk dari hablur germanium dan Silikon yang dicampur dengan atom-atom bendasing.

Sebelum itu, untuk lebih memahami tentang pembentukan kedua-dua bahan ini, eloklah kita perhatikan dahulu beberapa perkara asas yang perlu diketahui bagi pembentukan bahan N dan P :

1.2.1 Pembawa Arus – Elektron bebas dan Hol :

Sekiranya Ikatan Kovalen terganggu kerana salah satu daripada faktor yang disebutkan sebelum ini, terdapat elektron yang akan terbebas dari ikatannya. ( rujuk rajah 1.5)

Oleh kerana elektron bercas negatif, maka elektron bebas ini dikenali sebagai ‘Pembawa Arus Negatif’.

10

Hol

Elektron Bebas

Rajah 1.5 : Kejadian Pembawa Arus

SEPARUH PENGALIR

Elektron yang terbebas akan meninggalkan ruang kosong yang kita sebut sebagai hol. Ruang ini bercas positif, jadi ia disebut sebagai ‘Pembawa Arus Positif‘.

1.2.2 Semikonduktor Intrinsik :

Semikonduktor Intrinsik ialah semikonduktor tulin dan tidak mengandungi unsur asing sedikitpun di dalamnya. Contohnya seperti hablur Gemanium dan Silikon.

Semikonduktor Intrinsik ini tidak mempunyai sebarang keistimewaan.

1.2.3 Semikonduktor Ekstrinsik :

Bahan semikonduktor tulin seperti yang diterangkan diatas, sekiranya dicampurkan dengan bahan asing, ia akan menjadi tidak tulin lagi. Dalam keadaan ini ia akan menjadi bahan yang banyak kegunaannya.

Proses percampuran ini dikenali sebagai ‘Proses serapan’. Iaitu proses memperbanyakkan salah satu pembawa arus (elektron bebas atau hol) dalam semikonduktor .

Bendasing yang digunakan dikenali sebagai Trivalens (mempunyai 3 elektron valens) atau Pentavalens (mempunyai 5 elektron valens).

Contoh bendasing Trivalens ialah Aluminium, Boron, Galium dan Indium manakala contoh bendasing Pentavalens ialah Antimoni, Arsenik dan Fosforus.

Semikonduktor Ekstrinsik banyak digunakan dalam pembuatan komponen-komponen semikonduktor seperti diod, transistor dan litar bersepadu.

11

SEPARUH PENGALIR

1.2.4 BAHAN JENIS-N :

Ia berlaku apabila semikonduktor tulin (contohnya Silikon) diserapkan dengan atom bendasing pentavalen (mempunyai 5 e.v)(rujuk rajah 1.6):

Empat daripada 5 elektron valens atom bendasing akan membentuk ikatan kovalen dengan atom-atom silikon tetapi terdapat satu elektron lagi yang tidak mempunyai pasangan.

Elektron ini akan terlepas dari orbitnya dan menjadi elektron bebas, iaitu pembawa arus negatif. Sekiranya lebih banyak bendasing pentavalen diserap maka lebih banyak lagi elektron bebas (atau pembawa arus negatif )

Oleh sebab inilah bahan ini dinamakan Bahan jenis-N.

Pada suhu amat rendah pembawa arus majoritinya ialah Elektron bebas.

Pada suhu bilik akan terhasil sedikit hol dan dikenali sebagai pembawa arus Minoriti.

12

Elektron Bebas dari atom arsenik Yang tidak mempunyai pasangan

Si

Ar

SiSi Si

Si

Si Si Si

Si

Rajah 1.6Silikon diserapkan dengan Arsenik

SEPARUH PENGALIR

1.2.5 BAHAN JENIS-P :

Berbeza dengan bahan jenis-N, bahan jenis-P pula terhasil apabila semikonduktor tulen diserapkan dengan bendasing Trivalens. (rujuk rajah 1.7)

Dari rajah dapat kita lihat yang tiga atom silikon membolehkan satu elektron valensnya membentuk ikatan kovelens tetapi satu lagi tidak dapat kerana kekurangan elektron valens bendasing. Kekosongan ini menyebabkan terbentuknya hol, iaitu pembawa arus Positif.

Lebih banyak atom bendasing trivalen diserap, makin banyak pembawa arus positif, atas sebab inilah ia disebut bahan jenis–P.

Pada suhu amat rendah, pembawa arus majoritinya ialah hol-hol dan pada suhu amat tinggi, pembawa arus minoritinya ialah elektron.

13

Si

In

SiSi Si

Si

Si Si Si

Si

Rajah 1.7Silikon diserapkan dengan Indium

Hol

SEPARUH PENGALIR

Persamaan Bahan Jenis N dan P :

- kedua-dua dibina daripada bahan mentah silikon atau germanium- Kedua-dua dihasilkan melalui proses pendopan (serapan)- Kedua-duanya mempunyai elekton bebas dan hol sebagai pembawa

cas.

14

FAKTA KUNCI :

SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor tulen Cth: Silikon & Germanium Tidak istimewa

SEMIKODUKTORINTRINSIK

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Proses Serapan

Semikonduktor tulen yang bercampur dengan bendasing

Terdapat 2 jenis bendasing:

Trivalens Pentavalen

-atom mempunyai 3 e.v-Cth : Aluminium & Indium

-atom mempunyai 5 ev-Cth :Antimoni & Arsenik

Trivalen + Semikonduktor

Tulen

Pentavalen + Semikkonduktor

Tulen

Bahan Jenis-P Bahan Jenis - N

Pembawa arus Majoriti – HolPembawa arus Minoriti - Elektron

Pembawa arus Majoriti-ElektronPembawa arus Minoriti - Hol

SEPARUH PENGALIR 15

SEPARUH PENGALIR

Anda telah sampai ke akhir unit 1b, mari kita uji kefahaman anda dengan menjawab silangkata dibawah. Pastikan anda tidak merujuk jawapan dibelakang sebelum anda selesai menjawab :

1b-1 . Elektron bebas dikenali sebagai ‘ Pembawa Arus _____________’

1b-2 . Ruang kosong yang disebut hol dikenali sebagai ‘ Pembawa Arus ___________’

1b-3 . Bahan jenis–N dan P dapat dihasilkan melalui Proses __________.

1b-4 . Bahan jenis N dihasilkan melalui percampuran Semikonduktor tulen dan bendasing _______________.

1b-5 . Bahan jenis P dihasilkan melalui serapan semikonduktor tulen dengan bendasing _______________.

1b-6 . Untuk bahan jenis-N – Pembawa arus majoriti ialah _____________ Pembawa arus minoriti ialah _____________

1

3

5

2

4

7

6

16

SEPARUH PENGALIR 17

SEPARUH PENGALIR

Sila semak jawapan anda, sekiranya anda tidak pasti pada satu-satu perkara, cuba rujuk input semula untuk mencari kepastian .

NE

S GE AR T TA I RP O S I T I F IA P E N T A V A L E NN A

H LO E

E L E K T R O N B E B A S

Tahniah …..anda telah sampai ke penghujung unit 1. Sila terus kebahagian penilaian kendiri untuk latihan-latihan menguji

kefahaman anda seterusnya …

18

SEPARUH PENGALIR

Anda telah menghampiri kejayaan. Sila cuba semua soalan dalam penilaian kendiri ini.. Pastikan anda menyemak jawapan di belakang setelah anda selesai menjawab ….

Selamat mencuba ……

SOALAN 1   :

Lukiskan rajah struktur atom bagi :a) Germanium yang mempunyai no atom 32.b) Silikon yang mempunyai no atom 14.

Serta nyatakan sifat bahan-bahan tersebut .

SOALAN 2   :

Apakah Ikatan Kovelen dan lukiskan rajah yang menunjukkan Ikatan kovelen bagi Germanium.

SOALAN 3   :

Berikan 4 faktor yang membolehkan elektron terbebas dari ikatan Kovelen.

SOALAN 4   :

Untuk membolehkan bahan jenis N dan terhasil, semikonduktor tulen perlu diserapkan dengan bendasing. Apakah bendasing itu dan terangkan setiap satu dan berikan contoh rajah yang menerangkan semikonduktor tulen yang diserapkan dengan salah satu bendasing.

SOALAN 5   :

Nyatakan pembawa arus majoriti dan minoriti bagi bahan jenis N dan P .

19

PENILAIAN KENDIRIPENILAIAN KENDIRI

SEPARUH PENGALIR

Sila semak jawapan anda. Sekiranya terdapat soalan-soalan yang anda tidak faham, anda harus berjumpa dengan pensyarah anda untuk mendapatkan penerangan yang lanjut.

JAWAPAN SOALAN 1   :

1.

Kedua-dua bahan adalah separuh pengalir kerana kedua-duanya mempunyai 4 elektron valens. Sifat bahannya adalah ia tidak mudah melepaskan elektron semudah pengalir dan ia juga tidak mudah menerima elektron semudah penebat.

JAWAPAN SOALAN 2 :

2. Ikatan Kovelen ialah proses perkongsian elektron valens sesuatu atom dengan elektron valens atom jirannya untuk membuatkan satu-satu atom itu berada dalam keadaan stabil.

20

Struktur Atomik bagi Silikon

Struktur Atomik bagi Germanium

1432

Si

Si

SiSiSi

Ikatan Kovalen

Si

Si

Si

Si

MAKLUMBALASPENILAIAN KENDIRI

MAKLUMBALASPENILAIAN KENDIRI

SEPARUH PENGALIR

JAWAPAN SOALAN 3 :

3. Faktor yang membolehkan elektron terbebas dari ikatan kovelen ialah:

i. Habaii. Beza Upayaiii. Kenaikan suhuiv. Proses Serapan.

JAWAPAN SOALAN 4 :

4. Bendasing yang dimaksudkan ialah atom-atom lain yang mempunyai 5 dan 3 elektron valens. Kita namakan ia Bendasing Trivalens ( 3 e.v ) dan Bendasing Pentavalens ( 5 e.v )

Contoh Bendasing Trivalens ialah Aluminium, Boron, Galium, Indium.Contoh Bendasing Pentavalens ialah Antimoni, Arsenik, Fosforus.

JAWAPAN SOALAN 5 :

5. Bahan Jenis N : Pembawa Arus Majoriti : Elektron BebasPembawa Arus Minoriti : Hol

Bahan Jenis P : Pembawa Arus Majoriti : HolPembawa Arus Minoriti : Elektron Bebas.

21

Si

In

SiSi Si

Si

Si Si Si

Si

Silikon diserapkan dengan Indium

hol