Elektronika Makalah [PDF]

Citation preview

A. PENDAHULUAN Semikonduktor adalah suatu benda yang tidak bisa menghantarkan arus listrik pada suhu yang rendah, semikonduktor hanya bisa menghantarkan listrik pada suhu lebih tinggi. Sedangkan definisi semikonduktor adalah suatu bahan yang mempunyai sifat hantaran listrik diantara isolator dan konduktor . Beberapa contoh perangkat semikonduktor adalah dioda, transistor, termistor, dan Integrated Circuit (IC).



Gambar 1. Contoh perangkat semikonduktor : A. Dioda, B. Transistor, C. Termistor, D. Integrated Circuit (IC) Semikonduktor dikelompokkan menjadi dua, yaitu :







Semikonduktor intrinsik Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni yang tidak diberi doping atau campuran atom lainnya (Contoh Silikon murni dan Germanium murni).







Semikonduktor ekstrinsik Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu tipe-N dan semikonduktor tipe-P.







TIPE – N Semikonduktor ini dibuat dengan menambahkan material phosporus (P) , arsen (As), antimony (Sb), memiliki 5 lapisan luar elektron dalam intrinsik semikonduktor. Bila lima valensi elemen ini ditambahkan untuk mengikat dengan silikon, maka satu elektron tetap bertahan sebagai kelebihan di dalam oktet, sehingga daya hantar elektron tersebut bisa baik melalui gerak bebas elektron yang tertinggal. Semikonduktor ini disebut dengan tipe N (negatif) karena arus listriknya diasumsikan adalah negatif. Arus listrik ini mengalir melalui semikonduktor tipe N (penghantar : elektron).



Gambar 2. Struktur stom semikonduktor type – n[2] 



TIPE – P Semikonduktor ini dibuat dengan penambahan bahan Gallium (Ga) , phosporus (P) ,dan Boron (Br), memiliki tiga valence electron intrinsik semikonduktor. Melalui empat lapisan luar elektron yang dimilikinya, bila kedua jenis material ini dengan bertemu satu lainnya, maka atom silikon dari kedua jenis atom ini tidak bisa berbagi elektron, sehingga arus listrik dapat mengalir dengan mudah dimana lowongan ini disebut hole. Tipe semikonduktor ini biasa disebut dengan P (positive) karena diasumsikan muatan listriknya adalah positif karena elektronnya lebih sedikit. Saat mendapat tegangan, elektron mengisi sisi hole kemudian hole tersebut secara terus menerus bergerak menurun. Arus listriknya mengalir melalui hole yang ada di dalam semiconductor tipe P ini.



Gambar 3. Struktur stom semikonduktor type –p[2] Ketika kedua tipe semikonduktor (p dan n) dijadikan satu, maka semikonduktor tersebut bersifat p dan n. Daerah tempat terjadinya kontak antara kedua tipe semionduktor disebut p-n junction. Dari penggabungan ini kita mengenal dioda yang menghasilkan arus listrik hanya dalam satu arah saja (direct current). Kombinasi dari p-n junction dapat digunakan untuk membuat transistor dan berbagai device semikonduktor yang sifat kelistrikannya dapat dikontrol. Sedangkan hasil dari penggabungan transistor yang dihasilkan oleh p-n junction tersebut dengan dipadukan oleh komponen pasif serta komponen aktif dalam sebuah chip tunggal dari silikon adalah integrated circuit yang biasa dikenal di kalangan masyarakat sebagai IC. IC memiliki kegunaan yang sangat luas di dunia elektronik, semua perangkat elektronik seperti komputer, handphone, dan peralatan digital elektronik lainnya menggunakan IC sebagai komponen dasarnya.



Gambar 4. P-N junction semikonduktor Permukaan junction ini disebut dengan depletion layer, dan semikonduktor yang dipisah disebut dengan p-n junctionsemikonduktor atau diode. Maka muatan listrik yang ada dari perbedaan polaritas satu sama lainnya, menghasilkan sedikit potensial listrik, disebut dengan electric potential barrier. B. SEJARAH P-N JUNCTION SEMIKONDUKTOR P-n junction ditemukan pertama kali oleh seorang fisikawan amerika bernama Russel S.Ohl yang mengamati efek fotovoltaik saat cahaya melintasi batang silikon pada tahun 1940[12]. Pada masa itu, dunia masih bergantung sepenuhnya kepada vacuum tube untuk inovasi peralatan elektronik seperti radio. Namun Bell Laboratories (laboratorium tempat Russel bekerja) memiliki misi untuk mencari alternatif dari vacuum tube yaitu menggunakan kristal. Banyak penelitian dilakukan pada kristal seperti Silicon & Germanium sampai 1939 dan tidak satupun dari penelitian tersebut memberikan wawasan yang diperlukan mengenai sifat dan properties dari kristal. Kesulitan dalam memahami sifat kristal, dipercayai oleh russel disebabkan karena adanya impurities dalam kristal, sehingga selanjutnya penelitiannya lebih berfokus pada bagaimana mendapatkan kristal silikon dengan kadar kemurnian tinggi.



Penemuan p-n junction diawali ketika suatu hari, Russel sedang memeriksa kristal silikon unik yang memiliki celah di bagian tengahnya. Kristal itu terhubung ke voltmeter dan dia melihat adanya perubahan tiba-tiba pada voltase (sekitar setengah volt) saat dia meletakkan kristal di atas aliran cahaya dari sebuah lampu di mejanya. Dengan pengamatan lebih jauh, diketahui bahwa kristal tersebut memiliki tingkat pengotor yang berbeda di kedua sisi retak2. Satu sisi kristal memiliki kelebihan elektron dan sisi lainnya memiliki kekurangan elektron. Dengan prinsip saling tarik menarik antara sisi negatif dan positif, elektron mulai bergerak dari daerah surplus ke daerah yang kurang dengan melintasi celah. Karena sifat kristal yang khas, elektron hanya bisa bergerak sejauh jarak tertentu melintasi celah (tidak melebihi keseluruhan kristal), sehingga menciptakan penghalang antara wilayah surplus elektron dan daerah yang kekurangan elektron. Ketika Russel meletakkan kristal di atas sumber cahaya, kristal menjadi mendapat eksitasi (bias maju) dan elektron menerima energi yang cukup untuk bergerak. Namun barrier menciptakan pembatasan aliran elektron bebas yang memungkinkan elektron mengalir hanya dalam satu arah. Teori p-n junction diode kemudian dikembangkan oleh Shockley pada tahun 1949 yang kemudian menjadi cikal bakal penemuan transistor junction bipolar. Hingga saat ini, p-n junction telah digunakan secara umum sebagai komponen penyearah dalam industri elektronik. Pn junction juga menjadi dasar yang sangat penting blokir untuk penemuan maupun perancangan peralatan lainnya.



C. PRINSIP KERJA P-N JUNCTION



P-N Junction adalah batas pertemuan antara kedua bahan semikonduktor tipe P dan tipe N yang ada didalam sebuah kristal semikonduktor yang merupakan cikal bakal komponen dioda, transistor, dan IC. Pada dasarnya PN Junction merupakan sebuah blok yang ada didalam komponen tersebut, misalnya sebuah dioda disusun oleh P-N tunggal sedangkan transistor ada dua jenis yaitu P-N-P dan N-P-N. P-N Junction terjadi karena elektron bebas pada semikonduktor tipe N mengisi “hole” pada semikonduktor tipe P. Area pertemuan ini disebut dengan depletion region atau Area penipisan. Ketika persimpangan P-N terbentuk, beberapa elektron bebas dari area tipe N yang berhasil mencapai pita konduksi bebas akan menyebar dan mengisi lubang (hole) pada area tipe P.



Gambar 5. Prinsip kerja p-n junction semikonduktor



Hal ini meninggalkan ion positif pada sisi semikonduktor tipe N. Kemudian sebuah ruang pengisian muatan terbangun, menciptakan daerah penipisan yang kemudian menghambat transfer elektron lanjut kecuali dibantu dengan meletakkan bias maju di persimpangan yang disebut dengan Forward Biased. Pemberian bias terbalik (Reverse Biased) tidak akan memicu pergerakan elektron didalam semikonduktor sehingga membuat komponen semikonduktor hanya bisa dialiri arus satu arah saja. Prinsip dasar P-N Junction ini kemudian diterapkan pada komponen elektronika seperti dioda yang bisa berfungsi sebagai penyearah tegangan maupun penahan tegangan arah tertentu. Selain itu penerapan P-N junction juga bisa lebih kompleks lagi pada komponen transistor. Disini dipasang kombinasi tiga bahan semikonduktor, yaitu P-N-P dan N-P-N. Dengan kombinasi ini dapat diperoleh berbagai fungsi seperti penguatan sinyal, pensaklaran elektronis dan sebagainya.[3] D. KARAKTERISTIK P-N JUNCTION Karakteristik dari p-n junction dapat dilihat pada saat pengaplikasian tegangan luar (atau biasa disebut bias) yang dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu: – Forward bias (Bias maju) Pada p-n junction bias maju (yang mana tipe-p terhubung dengan tegangan positif dan tipe-n terhubung dengan tegangan negatif), terminal anoda berperan sebagai terminal positif dan terminal katoda berperan sebagai terminal negatif5 seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6.



Gambar 6. P-n junction bias maju. Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tarik terhadap elektron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak mengarah ke sumber tegangan. Akibatnya depletion region menyusut. Hal ini membuka kembali kemungkinan bagi carrier untuk menyeberangi junction, dan bergerak mengelilingi rangkaian. Pada rangkaian timbul arus listrik. Hal di atas hanya bisa terjadi jika tegangan luar lebih besar dari potential barrier. – Reverse bias (Bias mundur) Jika tegangan negatif diaplikasikan ke sisi positif dan tegangan positif ke sisi negatif, dengan tidak ada arus/arus yang mengalir sangat kecil, konfigurasi ini disebut dengan reverse bias atau bias mundur.



Gambar 7. P-n junction bias mundur. Potensial luar dari sumber tegangan memberikan gaya tolak terhadap elektron dan hole, sehingga elektron dan hole pada dipole bergerak menjauhi sumber tegangan. Akibatnya depletion regionmelebar dan potential barrier meningkat[5]. Disini yang menarik untuk diperhatikan adalah bahwa dioda tidak menghasilkan tegangan dengan perubahan tegangan yang diaplikasikan. Arus tetap konstan pada nilai kecil yang dapat diabaikan (dalam kisaran ampli mikro). Bila voltase dinaikkan di atas titik tertentu, maka arus tiba-tiba meningkat secara mendadak, dan hal ini disebut sebagai “arus balik” dan nilai voltase yang diterapkan tersebut, dimana arus balik melalui dioda meningkat tiba-tiba dikenal sebagai “break down voltage“.Jika arus balik ini melebihi nilai maksimumnya, maka dioda akan rusak. Dari analisa karakteristik p-n junction bias maju dan bias mundur, dapat disimpulkan bahwa sebuah dioda p-n junction menghasilkan arus hanya dalam satu arah yaitu selama bias maju. Selama bias maju terjadi, dioda menhasilkan arus seiring dengan kenaikan voltase. Kebalikannya, selama bias mundur, dioda tidak menghasilkan arus seiring dengan kenaikan tegangan



(break down biasanya mengakibatkan kerusakan dioda). Karakteristik p-n junction dioda ini dapat dilihat pada gambar 8.



Gambar 8. Karakteristik p-n junction diode[6] E. TEKNIK KONSTRUKSI DIODA P-N JUNCTION Pembuatan dioda p-n junction ada 3 macam yaitu: tumbuh (grown), perpaduan (alloy), dan disebarkan (diffused). 



Cara pembuatan dengan menggunakan cara tumbuh (grown) (teknik yang pertama kali digunakan), pada awalnya material semikonduktor dan kotoran tipe-P ditempatkan di wadah kuarsa (senyawa kimia yang terdiri dari satu bagian silikon dan dua bagian oksigen atau biasa disebut silikon dioksida (SiO2)) dan dipanaskan sampai mereka meleleh. Kristal kecil semikonduktor disebut sebagai benih (seed), kemudian diturunkan kedalam pencampuran pada proses peleburan. Benih kristal berputar perlahan dan keluar dari proses peleburan secara perlahan untuk membuat capuran yang melebur melekat di benih. Pencampuran dalam proses peleburan material, pelekatan pada benih, pendinginan dan pengerasan, dianggap karakteristik kristal sama seperti benih. Ketika benih kristal diambil, benih tersebut bergantian doping dengan kotoran tipe-N dan tipe-P. Doping adalah proses penambahan kotoran ke kristal semikonduktor murni untuk meningkatkan nomor IF dari elektron







bebas atau nomor dari hole. Ini membuat layer N dan P di kristal seperti tumbuh. Kristal yang dihasilkan kemudian dibagi menjadi beberapa bagian tipe-P-N. Cara pembuatan semikonduktor dengan cara perpaduan (alloy) sangat gampang. Butiran kecil material trivalent seperti indium, diletakkan diatas kristal semikonduktor tipe-N. Butiran material dan kristal semikonduktor tipe-N dipanaskan sampai melebur dan bergabung dengan kristal semikonduktor. Daerah dimana kedua material bergabung membentuk material tipe-P. Ketika panas di hilangkan, material terkristalisasi dan terbentuk P-N junction padat.



Gambar 9. pembuatan dengan cara perpaduan (alloy) 



Cara pembuatan dengan cara disebarkan (diffused) adalah cara yang paling banyak digunakan sekarang. Sebuah pelindung dengan bukaan ditempatkan pada bagian tipis dari material konduktor tipe-N atau tipe-P yang disebut dengan wafer. Wafer kemudian ditempatkan sebuah pemanggang dan kotoran dalam bentuk gas. Pada tempratur yang sangat tinggi, atom kotoran menembus atau menyebar melalui permukaan yang terpapar oleh wafer. Dalamnya sebaran (diffused) dikontrol oleh panjang dari film dan temperatur.



Gambar 10. Pembuatan dengan cara sebaran (diffused)



Setelah P-N junction terbentuk, dioda harus dikemas (dilapisi) untuk melindungi dari lingkungan dan tekanan mekanis. Kemasan harus menyediakan sebuah cara untuk disambungkan dengan sirkuit. Pembuatan bentuk ditentukan dari tujuan atau aplikasi dari dioda tersebut. Jika arus mengalir melalui dioda, kemasan harus di desain untuk menjaga junction supaya tidak terlalu panas (overheating). F. KEUNTUNGAN PENGGUNAAN P-N JUNCTION DIODA P-N junction dioda merupakan bentuk yang paling sederhana dari seluruh peralatan semikonduktor. Berikut beberapa keuntungan penggunaan P-N junction secara umum dalam bidang elektronika:



1. P-N junction dioda dapat digunakan untuk mengkonversi arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). 2. Jika dioda bias maju, memungkinkan arus mengalir. Di sisi lain, jika bias balik, ia menghalangi aliran arus. Dengan kata lain, dioda p-n junction aktif saat bias maju dan tidak aktif saat bias balik (yaitu bertindak sebagai saklar). Dengan demikian, dioda persimpangan p-n digunakan sebagai saklar elektronik dalam rangkaian logika digital[9].



G. APLIKASI P-N JUNCTIONS UNTUK SOLAR SEL Solar sel merupakan perangkat yang dapat mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik secara langsung melalui efek fotovoltaik. Prinsip kerja dari solar sel yaitu memanfaatkan tumbukan oleh foton dari cahaya matahari terhadap elektron pada komponen semikonduktor p-n junction, misalnya seperti silikon yang telah melewati proses doping sebelumnya. Elektron yang bertumbukan dengan foton kemudian akan bergerak melalui hole pada arah tertentu, gerakan inilah yang kemudian menghasilkan listrik[10].



Gambar 11. Solar sel dengan silikon tipe-p dan tipe-n[11] Saat ini, solar sel berbahan dasar silikon masih menguasai pasar solar sel di dunia, selain industrinya yang sudah mapan, efisiensi yang dihasilkan



cendrung tinggi. Bahan silikon dapat digunakan sebagai solar sel karena sifat konduktivitasnya yang dapat diubah-ubah dengan menambahkan suatu atom asing atau pengotor. Teknik tersebut dinamakan dengan teknik doping. Proses doping dilakukan bertujuan untuk memberikan kondisi kelebihan elektron (N-Type) dan kekurangan elektron (P-Type) sehingga memungkinkan terjadinya pergerakan electron.