sulis.irjayanto

Just another Blog UMY site

Tugas Elektronika BAB VI

Posted by sulis irjayanto 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.

 

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

 

Properti

Silikon

Germanium
Energi terlarang/gap (eV) 1,1 0,67
Mobilitas elektron,      (m2 V 1s 1 )

n

0,135 0,39
Mobilitas lubang,       (m 2 V 1s 1 )

p

0,048 0,19
Konsentrasi intrinsik, n (m 3 )

i

1,5    1016 2,4    1019
Resistivitas intrinsik,     i (    m) 2300 0,46


  • 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.

  • Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipen 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 tipen, semikonduktor tipep 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  tiga menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor 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 pasangan elektron-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                                                                                                                                                (6.3)

dimana r menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.

Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnya laju rekombinasi.  Pada semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlaku

 

 

atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatu konstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.

Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atom donor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasi

atom donor ND>> ni, dengan konsentrasi elektron sebesar

 

 

dimana:

p p              = konsentrasi lubang pada tipe-p

n p               = konsentrasi elektron pada tipe-p

NA          = konsentrasi atom aseptor

 

  • Difusi

         Jika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasi partikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadi mekanisme 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. Kerapatan arus difusi karena aliran elektron diberikan oleh

 

dimana Dn  = konstanta difusi untuk elektron (m2s-1).     Jika dn/dx berharga positif, gerakan elektron pada arah -x menghasilkan arus positif pada arah +x. Dengan cara yang sama untuk lubang diperoleh

dimana Dn  = konstanta difusi untuk elektron (m2s-1).     Jika dn/dx berharga positif, gerakan elektron pada arah -x menghasilkan arus positif pada arah +x. Dengan cara yang sama untuk lubang diperoleh Perlu dicatat bahwa masing-masing partikel yang bermuatan bergerak menjauhi bagian yang mempunyai konsentrasi lebih tinggi, namun gerakan tersebut bukan karena adanya gaya tolak. Seperti halnya pada mobilitas, difusi merupakan penomena statistik sehingga berlaku persamaan Einstein

 

Categories: Uncategorized

PROFIL AKU

sulis irjayanto


Popular Posts

Hello world!

Selamat datang di Blog UMY. Ini adalah tulisan pertama Anda. ...

Tugas Elektronika BA

    BAB I ARUS DAN TEGANGAN LISTRIK Arus listrik adalah aliran elektron pada ...

Tugas Elektronika BA

BAB II RANGKAIAN ARUS SEARAH   Arus Searah (DC) Pada rangkaian DC hanya melibatkan ...

Tugas Elektronika BA

BAB III ALAT-ALAT UKUR LISTRIK   PenggunaanMeterDasar Pemakaian terpenting adalah sebagai alat ukur arus ...

Tugas Elektronika BA

BAB IV KAPASITOR, INDUKTOR DAN RANGKAIAN AC Bentukgelombangisyarat (signal) Isyarat adalah merupakan informasi ...