ketertinggalan bukan kegagalan

Hanya Blog UMY situs lain

Bab06. Bahan Semikonduktor

Posted by candra nur wahyudiyanto 0 Comment
  • Semikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Gambar 6.1 Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar 6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen
terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.

Gambar 6.2 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”

Tabel 6.1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K

  • Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)

Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 6.3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada tabel 6.3.

Tabel 6.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodik

Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki
muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 6.3.

Gambar 6.3 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.

Semikonduktor tipe-p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa
sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat pada gambar 6.4.

Gambar 6.4 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tigamenggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energisemikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.

  • Generasi dan Rekombinasi

Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik) tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur T
dinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistik menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan e eVG kT – / . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggi maka laju generasi termal akan tinggi. Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderung
mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada. Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya R
akan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak. Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikit lubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangat
tinggi. Secara umum dapat dituliskan:

R = r n p

dimana r menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnya laju rekombinasi.

  • Difusi

Jika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasi partikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadimekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partiket harus random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron pada salah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan elektron bergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi yang lebih padat
ke sisi yang kurang padat. Gerakan muatan ini menghasilkan “arus difusi” yang besamya sebanding dengan gradien konsentrasi dn/dx.

Untuk lebih jelasnya klik disini.

Categories: Elektronika

PROFIL AKU

candra nur wahyudiyanto


Popular Posts

Bab01.arus dan tegan

1.1 Pengertian Arus Listrik (Electrical Current) Arus listrik terjadi karena adanya ...

BAB02. Rangkaian Aru

Pada rangkaian DC hanya melibatkan arus dan tegangan searah, yaitu ...

Bab03.Alat-Alat Ukur

Telah dipahami bahwa elektron yang bergerak akan menghasilkan medan magnet ...

Bab04. KAPASITOR, IN

Bentuk Gelombang lsyarat (signal) Isyarat adalah merupakan informasi dalam bentuk perubahan ...

Bab05. Komponen Dan

Isyarat AC Isyarat AC merupakan bentuk gelombang yang sangat penting dalam ...