Jawaban Bahan Semikonduktor [PDF]

Citation preview

SOAL-SOAL EVALUASI 1. Buktikan bahwa postulat ( 3) dari Bohr tersebut sesuai dengan teori gelombang. 2. Tentukan frekuensi radiasi dari suatu elektron atom Hidrogen yang tereksitasi jika elektron meloncat dari orbit n = 3 ke orbit n = 2. Jawab : Menghitung energi yang dipancarkan elektron atom Hidrogen pada n1 = 3 dan n2 = 2. Energi satu atom elektron adalah E = 13,6 Ev. Dengan rumus sebagai berikut. En1 = − E3 = − E3 = −



13,6 𝑛2



13,6 32 13,6 9



eV



En2 = −



eV



E2 = −



eV



E2 = −



13,6 𝑛2



13,6 22 13,6 4



eV



eV eV



n2 = − 3, 4 eV



E3 = −1, 51 eV



Lalu, bagaimana energi foton yang sudah dipancarkan oleh atom Hidrogen berhubungan dengan frekuensi radiasi? Emisi cahaya dikaitkan dengan transisi atom, di mana elektron 'melompat' dari tingkat energi atom yang lebih tinggi (n = 3) ke yang lebih rendah (n = 2). Jika elektron berpindah dari keadaan stationer yang satu dengan energi E2 yang lebih tinggi ke keadaan stationer dengan energi E1 yang lebih rendah (E2 > E1), maka akan dipancarkan energi dengan frekuensi sebagai berikut :



𝒇=



𝑬𝟐 𝒉



−



𝑬𝟏 𝒉



, dimana h merupakan Planck's constant (h = 6,63x10-34 J.s



Jadi, frekuensi radiasi dari suatu elektron atom Hidrogen yang tereksitasi jika elektron meloncat dari orbit n = 3 ke orbit n = 2 adalah, Diketahui : E2 = −1, 51 eV ; E1 = − 3, 4 Ev



𝒇= 𝑓= 𝑓=



𝑬𝟐 𝒉



−



𝑬𝟏 𝒉



− 1,51−(−3,4) 𝑒𝑉 6,63 𝑥 10−34 𝐽𝑠 − 1,51+(3,4) 𝑒𝑉 6,63 𝑥 10−34 𝐽𝑠



𝑓=



+(1,89) 𝑒𝑉 6,63 𝑥 10−34 𝐽𝑠



𝒇 = 𝟎, 𝟐𝟖 𝒙 𝟏𝟎𝟐𝟓



𝒆𝑽 𝑱𝒔



3. Jelaskan mengapa diagram tingkat energi pada zat padat tidak berupa garis, tetapi berupa pita. Jawab : Karena jarak antar atom dalam zat padat berdekatan satu sama lain maka antara atom yang satu dengan yang lain terjadi interaksi. Akibatnya keadaan tingkat tenaga akan berbeda dengan keadaan tingkat tenaga atom terisolasi. Untuk atom-atom yang membentuk kristal ternyata tingkat tenaga dari elektron-elektronika pada kulit dalam tidak berubah, tetapi tingkat tenaga Elektron pada kulit terluar berubah karena Elektron-Elektron tersebut menjadi milik bersama lebih dari satu atom dalam kristal. Tingkat tenaga Elektron pada kulit terluar tersebut berubah menjadi pita.



Dengan konsep pita tenaga ini maka dapat diterangkan mengapa suatu zat mempunyai perbedaan daya hantar listrik. Perbedaan daya hantar listrik disebabkan oleh perbedaan lebar pita terlarang (energy gap). Pada isolator lebar pita terlarang ini besar > 6 ev sehingga sulit untuk terjadi elektron pada pita valensi pindah ke pita konduksi, walaupun diberi tenaga medan listrik luar. Karena tidak ada elektron pada pita konduksi, maka tidak ada elektron bebas sehingga tidak bisa menghantarkan listrik.



4. a. Apakah yang menyebabkan perbedaan daya hantar listrik bahan ? Jelaskan. Jawab : Daya hantar listrik adalah ukuran seberapa kuat suatu bahan dapat menghantarkan listrik. Arus yang mengalirkan dalam suatu penghantar dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1 mm2 pada temperature 20oC dinamakan hambatan jenis. Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: R=



𝜌𝑋𝑙 𝐴



Dimana, R = hambatan bahan (Ω)



l = panjang bahan (m)



ρ = hambatan jenis bahan (Ωmm /m) 2



A = luas penampang bahan (mm2)



b. Sebutkan



masing-masing



paling



sedikit



4



ciri



dari



isolator



semikonduktor dan konduktor. Jawab : Isolator 



Tidak dapat menghantarkan panas.







Terbuat dari kayu, plastik, karet, dll.







Menghambat panas







Bahan non logam



Semikonduktor 



Berbentuk padat pada suhu ruangan







Titik lebur dan titik didih masing-masing 1400-2800°c







Massa jenis lebih besar ketika dalam bentuk cair dibanding dalam bentuk padatannya,







Bersifat mengalirkan panas sehingga tidak pernah dipakai untuk menginsulasi benda panas



Konduktor 



Mudah menghantarkan panas.







Terbuat dari logam, besi, dll.







Benda tersebut kebanyakan terbuat dari partikel besi.







Bendanya keras



5. Konsentrasi atom Ge adalah 4,411022 atom/cm3. Jika tiap 108 atom Ge dikotori 1 atom donor, dan n = 3800 cm2/Vs, tentukan  Jawab : Konsentrasi atom Ge adalah 4,411022 atom/cm3. Jika tiap 108 atom Ge dikotori 1 atom donor, dan n = 3800 cm2/Vs, tentukan  𝑁𝑝 = 



1 4,41𝑥1022 𝑎𝑡𝑜𝑚 = = 4,41𝑥1014  8 22 8 10 /4,41𝑥10 10 𝑐𝑚3



 𝜎 = 𝑒𝑁𝑝µp x x x 1014 x 3800 =0,268 (Ωcm)-1



6. Jelaskan secara rinci pengertian bahan semikonduktor baik mengenai daya hantar



jenis, unsur, struktur elektron, ikatan antar atom, maupun struktur kristalnya. (Atika & Laila) 7. Tentukan konsentrasi elektron bebas pada silikon pada shu 27 oC jika EGO = 1,21 eV dan k = 8,6210-5 (oK)-1. (Suci) 8. Jelaskan terjadinya semikonduktor tipe P. Jawab : Semikonduktor tipe P termasuk ke dalam semikonduktor ekstrinsik, yaitu semikonduktor yang sudah tidak murni lagi (sudah terdoping) oleh atom jenis lainnya. Semikonduktor tipe P adalah semikonduktor yang diberi doping (pengotoran) oleh berupa atom dari golongan III dalam sistem periodik unsur seperti Ga (Galium). Oleh karena Ga memiliki tiga buah elektron valensi, sehingga dalam berikatan dengan atom Si (Silikon) di dalam kristal, maka 1 elektron Ga inilah yang berpasangan dengan atom Si tersebut. Dengan demikian pengotoran ini menyebabkan meningkatnya jumlah hole atau dengan kata lain hole sebagai pembawa muatan bebas mayoritas. Sedang pembawa muatan bebas minoritasnya adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena pembawa muatan bebas mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor tipe P (dalam hal ini P kependekan dari kata positif, yakni jenis muatan bebas mayoritasnya). Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan positif, tetapi semikonduktor ini tetap netral, seperti halnya semikonduktor tipe N. Oleh karena atom pengotor menyediakan kekurangan, maka disebut aseptor (atom aseptor). Hole mudah diisi oleh elektron dan elektron yang mengisi meninggalkan hole baru dan seterusnya sehingga ada gerakan hole. Setelah hole diisi oleh elektron, aseptor akan menjadi ion negatif. Keadaan pita energi dan ikatan semikonduktor tipe P ini ditunjukkan pada gambar berikut.



9. Jelaskan terjadinya semikonduktor tipe N. Jawab :



Semiconductor ini dibuat dengan menambahkan phosphorus;



material As:



(P:



arsenic;



Sb:



antimony) memiliki 5 lapisan luar electron



dalam



intrinsic



semiconductor. Bila lima valenci element



ini



ditambahkan



untuk



mengikat dengan silicon, maka satu electron tetap bertahan sebagai kelebihan di dalam octet, sehingga daya hantar electron tersebut bisa baik melalui gerak bebas elektron yang tertinggal. Semiconductor ini disebut dengan tipe N (negatif) karena arus listriknya diasumsikan adalah negatif. Arus listrik ini mengalir melalui semiconductor tipe N (penghantar : elektron). 10. Diketahui ni dari Ge pada 300 oK = 2,51013 cm–3. n dan p masing-masing 3800 cm2 (Vs)-1 dan 1800 cm2 (Vs)-1. a. Tentukan  dari Ge murni ini. (Fahrudin) b. Jika tiap 1010 atom Ge dikotori 1 atom donor, tentukan kenaikan  nya. Diketahui : µn = 3.800 cm2 (Vs)-1 µp = 1.800 cm2 (Vs)-1 dimana tiap 1010 atom Ge dikotori 1 atom donor. Jawab : 𝑁𝑝 =



1 2,5 𝑥 1013 1010 1



= 2,5 𝑥 103 atom/cm3 𝜎 = 𝑒. 𝑁𝑝. 𝜇𝑛 𝜎 = 1,6 𝑥 10−19 . 2,5 𝑥 103 . 3.800 𝜎 = 4 𝑥 10−16 𝑥 3.800 𝜎 = 15.200 𝑥 10−16