KULIAH 2 Elda1 Dasar Bahan Semikonduktor [PDF]

Citation preview

TED – 21031 Elektronika Daya 1



Dasar Bahan Semikonduktor



Capaian Pembelajaran 1) Menjelaskan jenis-jenis bahan elektronika (konduktor, isolator dan semikonduktor) 2) Menyebutkan paling sedikit 3 bahan semikonduktor. 3) Menjelaskan struktur dasar bahan semikonduktor. 4) Menjelaskan istilah doping dan menyebutkan dua jenis bahan semikonduktor yang terbentuk dari proses doping. 5) Menyebutkan nama-nama pembawa muatan pada bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P. 6) Menjelaskan bagaimana arus mengalir pada bahan semikonduktor.



Bahan-Bahan Elektronika •



•



Fungsi dari bahan-bahan elektronika adalah untuk menghasilkan dan mengendalikan arus listrik. Bahan-bahan elektronika mencakup: 1. Konduktor: mempunyai resistansi yang rendah sehingga arus listrik mudah mengalir. 2. Isolator: mempunyai resistansi yang tinggi sehingga arus listrik tidak bisa melewatinya. 3. Semikonduktor: dapat mengalirkan atau mencegah aliran listrik.



Konduktor  Konduktor yang baik mempunyai resistansi yang rendah sehingga arus listrik mudah melewatinya.  Beberapa contoh konduktor yang baik:  Tembaga, perak, emas, aluminium dan nikel.



 Paduan logam juga konduktor yang baik:  Perunggu & baja



 Konduktor yang baik dalam bentuk cair:  Air garam



Struktur Atom Konduktor • Struktur atom dari konduktor yang baik biasanya mempunyai satu elektron pada kulit terluarnya. – Dinamakan elektron valensi (valence electron). – Elektron valensi mudah lepas dari atom sehingga menjadi elektron bebas untuk menghasilkan arus listrik.



Isolator  Isolator mempunyai resistansi yang tinggi sehingga arus listrik tidak bisa melewatinya.  Isolator yang baik mencakup:  Kaca, keramik, plastik dan kayu  Kebanyakan isolator merupakan bahan campuran dari beberapa unsur.  Atom-atom yang menyusun bahan isolator saling terikat dengan kuat sehingga elektronelektronnya sangat sulit untuk terlepas dari atomatomnya untuk menghasilkan arus listrik.



Semikonduktor  Semikonduktor pada dasarnya adalah bahan elektronika yang dapat dikondisikan baik sebagai konduktor yang baik maupun sebagai isolator yang baik, atau material dengan konduktifitas diantara kedua bahan tersebut.  Contoh semikonduktor adalah karbon, silikon dan germanium. Mereka semua adalah unsur golongan IV pada tabel periodik.  Silikon adalah semikonduktor paling banyak digunakan.



A presentation of eSyst.org



Proses pembuatan silikon kristal tunggal



Proses pembuatan silikon kristal tunggal



Silikon polikristral Silikon monokristal



Orbit Terluar Semikonduktor • Karakteristik utama dari bahan semikonduktor adalah mereka mempunyai 4 elektron valensi.



Silikon kristal tunggal



Tabel Periodik



Struktur Kristal Lattice  Keunikan struktur bahan semikonduktor adalah atom-atomnya saling mengikat membentuk struktur kristal yang dinamakan kristal lattice (lattice crystal).  Atom-atomnya saling berikatan menggunakan keempat elektron valensinya.  Ikatan tersebut dinamakan ikatan kovalen (covalent bonds).



Struktur 2-Dimensi kristal lattice



Struktur 3-Dimensi Kristal Lattice



Terbentuknya elektron bebas dan hole akibat kenaikan temperatur



 Ikatan kovalen antara atom Si dengan atom Si lainnya dapat putus karena pengaruh temperatur, sehingga menghasilkan elektron bebas dan atom Si yang terionisasi. Makin tinggi temperatur makin banyak elektron bebas yang dihasilkan, sehingga konduktifitas bahan semikonduktor makin besar dengan meningkatnya temperatur.  Ini berbeda dengan logam yang makin kecil konduktifitasnya dengan meningkatnya temperatur.  Tempat yang ditinggalkan oleh elektron bebas sewaktu terputusnya ikatan kovalen dinamakan hole.



hole



Semikonduktor murni adalah isolator  Karena struktur kristalnya, bahan semikonduktor murni seperti silikon merupakan isolator yang sangat baik karena atom-atomnya terikat satu dengan yang lainnya dan tidak ada elektron yang bebas untuk mengalirkan arus listrik.  Bahan semikonduktor murni disebut juga semikonduktor intrinsik.  Silikon dalam bentuk intrinsik merupakan isolator yang sangat baik.  Kenaikan temperatur menyebabkan jumlah ikatan kovalen yang putus makin banyak, sehingga menghasilkan banyak elektron bebas dan hole.  Inilah yang menyebabkan mengapa konduktifitas bahan semikonduktor meningkat seiring naiknya temperatur.



Semikonduktor murni adalah isolator Jumlah elektron bebas yang lepas dari ikatan kovalen dan jumlah hole yang terbentuk adalah sama. Gerakan elektron bebas dan gerakan hole di dalam bahan semikonduktor intrinsik terjadi secara acak. Proses terisinya hole oleh elektron bebas dinamakan rekombinasi.



Semikonduktor murni adalah isolator • Terbentuknya elektron bebas dan diikuti dengan terjadinya rekombinasi menyebabkan seolah-oleh hole telah berpindah dari satu tempat ke tempat lain.



Doping  Untuk mengubah semikonduktor intrinsik menjadi penghantar arus yang baik dapat dilakukan dengan cara menambahkan atomatom dari unsur lain. Unsur tersebut dinamakan unsur pengotor.  Prosesnya dinamakan doping.



Semikonduktor dapat berubah menjadi konduktor  Contoh unsur pengotor adalah arsenik (As) yang mempunyai 5 elektron valensi.  Penambahan arsenik (doping) akan menyebabkan arsenik berikatan dengan 4 atom silikon terdekatnya menggunakan 4 elektron valensi arsenik, dan menyisakan 1 elektron valensi yang tidak terikat.  Satu elektron valensi yang tersisa tersebut menjadi elektron bebas dan dapat mengalirkan arus listrik.



Semikonduktor dapat berubah menjadi konduktor



Pengaruh Doping terhadap Resistansi  Jika proses doping menggunakan atom-atom arsenik dalam jumlah lebih besar, maka akan terdapat lebih banyak elektron bebas dalam bahan semikonduktor tersebut, sehingga resistansi bahan menjadi lebih rendah dan arus listrik lebih mudah melewati bahan tersebut.  Jika proses doping menggunakan sedikit atom arsenik, maka lebih sedikit jumlah elektron bebas yang tersedia, sehingga resistansi bahan menjadi lebih tinggi.  Dengan mengatur konsentrasi unsur pengotor dalam proses doping, resistansi bahan semikonduktor dapat diatur.



Pengaruh Doping terhadap Resistansi  Elektron bebas yang dihasilkan dari proses doping dapat mengisi hole yang ada sehingga secara keseluruhan akan menghasilkan jumlah elektron bebas yang lebih banyak dari pada jumlah hole.  Oleh karena itu elektron bebas dinamakan pembawa muatan mayoritas dan hole dinamakan pembawa muatan minoritas.



Cara lain ‘mengotori’ semikonduktor intrinsik  Proses doping dapat juga menggunakan unsur yang mempunyai 3 elektron valensi seperti boron (B).  Ketiga elektron valensi tersebut membentuk ikatan kovalen dengan 4 atom silikon terdekatnya, tetapi terdapat satu ikatan yang kekurangan 1 elektron.  Tempat dimana elektron keempat tersebut seharusnya berada dinamakan hole.  Sebuah hole dapat dianggap sebagai materi bermuatan positif yang dapat menarik elektron dari tempat lain.  Hole juga merupakan pembawa muatan seperti halnya elektron untuk menghasilkan arus listrik.



Cara lain ‘mengotori’ semikonduktor intrinsik



Jenis-Jenis Material Semikonduktor  Bahan silikon dengan jumlah elektron bebas lebih banyak daripada jumlah hole dinamakan semikonduktor tipe-N. – “N” artinya negatif, karena pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron.  Bahan silikon yang ikatan kovalennya kekurangan 1 elektron sehingga menghasilkan jumlah hole yang lebih banyak daripada elektron bebas dinamakan semikonduktor tipe-P. – “P” artinya positif, karena pembawa muatan mayoritasnya adalah hole.



Aliran Arus pada Semikonduktor tipe-N  Terminal positif dari sumber tegangan searah menarik elektron–elektron bebas yang terdapat dalam bahan semikonduktor dan menyisakan atom-atom yang bermuatan positif.  Elektron-elektron yang berasal dari terminal negatif sumber tegangan searah masuk ke bahan semikonduktor karena ditarik oleh atom-atom positif tadi.  Arus listrik (aliran elektron) terjadi dari terminal positif sumber menuju terminal negatif sumber.



Aliran arus semikonduktor tipe-P  Elektron-elektron yang berasal dari terminal negatif sumber tegangan searah ditarik oleh hole dan mengisi hole- hole tersebut.  Terminal positif sumber menarik elektron-elektron pengisi hole dan menyisakan hole baru yang akan menarik elektron-elektron lainnya untuk mengisi hole tersebut. .  Arus listrik (aliran elektron) mengalir dari terminal negatif sumber menuju terminal positif sumber.  Didalam bahan semikonduktor yang terjadi sebenarnya adalah pergerakan hole dari sisi positif menuju sisi negatif.



Persambungan P-N tanpa sumber tegangan



Persambungan P-N tanpa sumber tegangan



Persambungan P-N dipanjar maju



Persambungan P-N dipanjar mundur



Persambungan P-N dipanjar mundur



Persambungan P-N mempunyai karakteristik seperti dioda tabung vakum



=



Persambungan P-N-P atau N-P-N mempunyai karakteristik seperti trioda tabung vakum



=



Kesimpulan  Dalam keadaan murni, semikonduktor adalah isolator yang sangat baik.  Semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah silikon  Semikonduktor dapat dibubuhi dengan atom lain untuk menambah atau mengurangi elektron bebas  Semikonduktor tipe-N mempunyai elektron bebas yang lebih banyak daripada hole.  Semikonduktor tipe-P mempunyai hole yang lebih banyak daripada elektron bebas.  Makin banyak konsentrasi atom pengotor, makin tinggi konduktifitas semikonduktor atau makin rendah resistifitasnya.  Dengan mengatur jumlah atom pengotor terhadap silikon, maka konduktifitas bahan semikondukor dapat dikendalikan.