Dasar Semikonduktor

Amir Hamzah, ST.MT

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS RIAU

Pendahuluan

• Komponen-komponen elektronika seperti dioda, transistor dan Integrated Circuit terbuat dari bahan semikonduktor.

• Topik bahasan:- struktur atom- semikonduktor, konduktor dan insulator.- ikatan kovalen- konduksi dalam semikonduktor.- dioda- bias dioda- karakteristik tegangan-arus dioda- model dioda

Struktur Atom

• Segala sesuatu benda terbuat dari atom-atom, dan semua atom terdiri dari elektron, proton dan neutron.

Atom

• Definisi AtomPartikel terkecil dari elemen yang tidak dapat dibagi lagi secara kimia.• Bagian-bagian atom:

Nukleus : - Proton (bermuatan positif)- Neutron (tidak bermuatan)

Elektron (bermuatan negatif)

Model atom Bohr

Atom

• Setiap atom memiliki jumlah elektron dan proton tertentu yang membedakannya dari atom elemen lainnya. Contoh, atom hidrogen memiliki satu proton dan satu elektron , atom helium memiliki dua proton dan dua neutron dalam nukleus serta dua elektron pada orbitnya.

Nomor Atom

• Semua elemen telah diatur dalam tabel periodik, sesuai dengan nomor atomnya.

• Nomor atom adalah sama dengan jumlah proton dalam nukleus, yang mana juga sama dengan jumlah elektron (seimbang).

• Contoh: hidrogen memiliki nomor atom 1 dan helium memiliki nomor atom 2.

Group → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

↓ Period

11H

2He

23Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

311Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

419K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

537Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

655Cs

56Ba

* 72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

787Fr

88Ra

** 104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Rg

112Uub

113Uut

114Uuq

115Uup

116Uuh

117Uus

118Uuo

* Lanthanides57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

** Actinides89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lr

Electron Shells dan Orbit

• Lintasan orbit elektron memiliki jarak tertentu dari nukleus.• Elektron yang dekat dengan nukleus memiliki energi yang

lebih kecil dibanding dengan elektron yang berada pada orbit yang lebih jauh.

• Tiap jarak tertentu (orbit) dari nukleus berhubungan dengan level energi tertentu. Dalam atom, orbit-orbit dikelompokkan dalam pita-pita energi yang disebut dengan shells.

• Shells ditandai dengan nomor 1, 2, 3 dan seterusnya. Dengan nomor 1 adalah yang terdekat dengan nukleus. (atau dalam referensi lain menggunakan huruf K, L, M dst).

Ilustrasi Pita Energi

Energi semakin besar pada orbit yang lebih jauh dari nukleus

Elektron Valensi

• Elektron-elektron yang berada di orbit terjauh dari nukleus memiliki energi yang lebih besar dan memiliki ikatan yang lebih kecil/lemah dibanding dengan elektron yang berada pada orbit yang dekat dengan nukleus (attraction force).

• Shell yang terluar disebut dengan shell valensi, dan elektronnya disebut dengan elektron valensi.

Ionization

• Ketika atom menyerap energi, misal: panas atau cahaya, energi elektron akan naik. Elektron valensi menerima energi yang lebih dan menjadi semakin lemah ikatannya terhadap nukleus dibanding dengan elektron terdalam, sehingga elektron akan semakin mudah meloncat (lepas).

• Proses lepasnya elektron valensi disebut dengan ionization, yang mengakibatkan atom lebih bermuatan positif atau disebut dengan ion positif.

• Contoh: sebuah atom hidrogen H. Bila atom hidrogen netral terlepas elektron valensinya maka menjadi ion positif, dengan simbol H+. Elektron valensi yang lepas disebut dengan elektron bebas. Ketika elektron bebas habis energi dan jatuh ke shell terluar suatu atom hidrogen netral, maka atom tersebut menjadi bermuatan negatif dan disebut dengan ion negatif dengan simbol H-.

Jumlah Eletron Tiap Shell

• Jumlah elektron maksimum (Ne) pada tiap shell dari atom dapat dihitung dengan persamaan:

• Dimana n adalah nomor shell.• Shell 1

• Shell 2

• dst

22nNe

Semikonduktor, Konduktor dan Insulator.

Konduktor: Bahan yang dapat dengan mudah mengalirkan arus

listrik. Memiliki elektron terluar/valensi kurang dari 4, sehingga

mudah lepas ikatannya. Konduktor terbaik adalah bahan single-element (elektron

valensi satu), seperti tembaga, perak, emas dan alumunium.

Insulator: Bahan yang tidak dapat mengalirkan arus listrik. Elektron terluar /valensi memiliki ikatan yang kuat. Memiliki atom terluar/valensi lebih dari 4. Contoh: glass, mica

Semikonduktor Bahan yang tidak konduktor dan tidak isolator tetapi

bersifat antara keduanya. Mudah dipengaruhi oleh temperatur dan cahaya. Kebanyakan memiliki atom terluar/valensi sama dengan 4

dengan kekuatan rata-rata. Contoh: silicon, germanium, carbon

Energy Bands

Perbandingan atom semikonduktor dan atom konduktor

Silicon dan Germanium

Silikon umum digunakan sebagai bahan untuk dioda, transistor, IC dll.Germanium memiliki elektron valensi pada shell ke empat, memiliki level energi yang lebih besar dari silikon, dan membutuhkan energi yang sedikit untuk lepas.Germanium lebih tidak stabil pada temperatur tinggi.

Ikatan Kovalen

• Ikatan kimia dibentuk dengan satu atau lebih elektron-elektron yang berbagi, terutama pasangan dari elektron-elektron, antara atom-atom.

• Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik.

• Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Ikatan Kovalen

Konduksi pada Semikonduktor

• Diagram pita energi dari sebuah unexcited atom dalam kristal silikon. Tidak ada elektron dalam pita konduksi.

• Kondisi ini terjadi hanya pada temperatur absolut 00 kelvin.

Electrons dan Holes

• Pembentukan pasangan elektron-hole dalam kristal silikon. Elektron dalam pita konduksi adalah elektron bebas.

• Saat elektron melompat ke pita konduksi, tempat yang ditinggalkan elektron tersebut disebut dengan hole.

• Rekombinasi terjadi bila elektron pada pita konduksi habis energi dan jatuh ke hole di pita valensi.

Aliran Elektron dan Hole

• Bila tegangan diberilan pada antara bagian silikon, maka panas akan membangkitkan elektron-elektron bebas dalam pita konduksi, yang bebas bergerak secara acak dalam struktur kristal.

• Pergerakan elektron-elektron bebas ini disebut dengan aliran elektron.

Aliran elektron

Aliran hole

Semikonduktor tipe N dan tipe P

• Konduktivitas bahan silikon dan germanium dapat ditingkatkan dengan mengatur penambahan impurities ke bahan semikonduktor interinsic (pure). Proses ini disebut dengan doping.

• Proses doping meningkatkan jumlah aliran pembawa (elektron atau holes)

• Dua kategori impurities adalah tipe-n dan tipe-p.

Semikonduktor tipe N

• Untuk meningkatkan jumlah elektron-elektron pita konduksi dalam silikon intrinsic, ditambahkan dengan atom impurities pentavalen, yaitu atom dengan elektron valensi lima, seperti arsenic (As), phosphorus (P), bismuth (Bi) dan antimony (Sb).

Semikonduktor tipe P

• Untuk meningkatkan jumlah holes dalam silikon intrinsic, ditambahkan dengan atom impurities trivalen, yaitu atom dengan elektron valensi tiga, seperti boron (B), indium (In), dan gallium (Ga)

Dioda

• Dioda: komponen semikonduktor dengan satu junction pn yang mengalirkan arus pada satu arah saja.

• Fungsi: dioda hanya mengalirkan pada satu arah dan memblok arus pada arah yang berlawanan.

• Tanda panah dari simbol rangkaian memperlihatkan arah arus yang dapat mengalir.

P N

Pn junction

(a) Struktur dasar dioda

(b) Simbol skematik dioda

Anode Cathode

Formasi pn-junction

• pn junctions dibentuk dengan menggabungkan bahan semikonduktor tipe p dan tipe n.

Formasi wilayah Deplesi Daerah-n

Kehilangan elektron bebas saat penghamburan keseberang pn-junction .

Hasil : membentuk sebuah lapisan +ve dekat junction. Daerah-p

Kehilangan holes sebagai gabungan elektron dan holes. Hasil: membentuk lapisan -ve dekat junction.

• Dua lapisan +ve dan –ve membentuk daerah deplesi.

Barrier Potential

• Dalam depletion region banyak terdapat muatan positif dan muatan negatif, yang terletak pada sisi berlawanan di junction pn.

• Gaya antara muatan yang berlawanan membentuk “medan gaya” yang disebut medan elektrik (lihat gambar)

• Untuk memindahkan elektron-elektron melintasi barrier medan listrik depletion region, dibutuhkan energi eksternal.

• Besar tegangan yang dibutuhkan untuk dapat menggerakkan elektron-elektron tersebut sama dengan potensial pada medan listriknya.

• Beda potensial tersebut dinamakan barrier potential.

• Tegangan barrier pada junction pn bergantung pada beberapa faktor, yaitu jenis material semikonduktor, jumlah doping, dan temperatur.

• Tipikal tegangan barrier adalah 0,7 V untuk silikon dan 0,3 V untuk germanium pada temperatur 25 0C.

Bias Dioda

• Pembahasan sebelumnya: tidak ada elektron yang bergerak melintasi junction pn pada kondisi seimbang.

• Definisi Bias secara umum: penggunaan tegangan dc untuk memperoleh kerja tertentu pada sebuah komponen elektronika.

• Terdapat dua bias:1. forward bias2. reverse bias

1. forward bias

• Forward bias adalah kondisi yang meyebabkan arus mengalir melalui junction pn dioda.

2. reverse bias

• Reverse bias adalah kondisi yang meyebabkan arus tidak mengalir melalui junction pn dioda.

Karakteristik Tegangan-Arus Dioda

• Karakteristik V-I untuk forward bias.

Karakteristik Tegangan-Arus Dioda

• Karakteristik V-I untuk forward bias.

Titik a; kondisi zero-bias

Titik b; kondisi tegangan forward kurang dari tegangan barrier 0,7 V.

Titik c; kondisi tegangan forward aproksimasi sama dengan tegangan barrier.

Karakteristik Tegangan-Arus Dioda

• Karakteristik V-I untuk reverse bias.

Bila tegangan reverse diberikan pada dioda, hanya arus reverse IR yang sangat kecil mengalir (diabaikan)

Bila tegangan bias dinaikkan, hingga mencapai suatu nilai dimana disebut VBR , arus reverse akan naik secara cepat.

Karakteristik Tegangan-Arus Dioda• Kurva karakteristik komplit.

Karakteristik Tegangan-Arus Dioda• Efek temperatur

Model Dioda

• Strutur dioda dan simbol

Hubungan forward bias

• Doida di bias maju bila terminal positif tegangan sumber dihubungkan ke anoda dan terminal negatif dihubungkan ke katoda.

Hubungan reverse bias

• Doida di bias mudur bila terminal positif tegangan sumber dihubungkan ke katoda dan terminal negatif dihubungkan ke anoda.

Model Dioda Ideal• Model ideal sebuah dioda adalah sebagai saklar sederhana.

Bila dioda di bias maju, maka dioda berkerja sebagai saklar tertutup (on). Bila dioda di bias mundur, maka dioda sebagai saklar terbuka (off). Potensial barrier, resistansi dinamik, dan arus reverse diabaikan.

Model dioda praktis

• Model praktis memasukkan tegangan barrier dalam model saklar ideal.

Model dioda komplit

• Model dioda komplit: memasukkan pengaruh tegangan barrier, resistansi dinamis (r’d) dan resistansi reverse internal (r’R)

Tipikal Dioda

SEKIAN