Tugas Material Teknik Elektro Semi Konduktor [PDF]

Citation preview

SEMI KONDUKTOR MAKALAH UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Material Teknik Elektro



oleh; Rinto Yuniarto C2B018359



UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SEMARANG TEKNIK ELEKTRO DESEMBER 2018



1



DAFTAR ISI Daftar Isi………………………………………………………….…....……..…......2 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ………………………………………….……...…..….…3 1.2 Permasalahan …………………………………………….….....….……..3 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Definisi Semikonduktor.........................................………………….........4 2.1.1 Pengertian Umum.............................................................................…...4 2.1.2 Pengertian Khusus.............................................................................…...4 2.2 Semi Konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik............................................…...6 2.2.1 Semi Konduktor Intrinsik................................................................…...7 2.2.2 Semi konduktor Ektrinsik.............................................................................8 2.2.3 Bahan- bahan Jenis- P dan Jenis- N.........................................................10 2.2.4 Persambungan P – N.....................................................................................11 2.2.5 Prategangan Maju.....................................................................................13 BAB III PENUTUP……………………………………………...………..................14 3.1 Kesimpulan..............................……………..........………………..........…14 DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………….....................15



2



BAB I PENDAHULUAN



1.1 LATAR BELAKANG Mengingat bahwa semi konduktor sudah umum digunakan pada bahan komposisi elektronika dan pengunaannya yang luas seperti pada IC, Transistor, Dioda, LED dan sebagainya. Sehingga pada saat ini dibutuhkan tentang pengetahuan komposisi bahan dan akibat dari komponen saat teraliri arus listrik dan tegangan. Para pembaca diharapkan dapat mengerti tentang bahan penyusun semi konduktor sehingga tidak asing lagi tentang percampuran bahan atau doping. 1.2 TUJUAN Setelah



membaca



makalah



ini



pembaca



diharapkan



dapat



mengerti



tentang



pengelompokan bahan, pengertian semi konduktor dan penggunannya, bahan jenis pengkomposisi semi konduktor (bahan jenis P dan bahan jenis N). Mengetahui penerapan semi konduktor pada komponen semi konduktor yang berguna dan telah banyak dipakai rangkaian elektronika dan elektro dalam industri maupun rumah tangga.



3



BAB II PEMBAHASAN 2.1 Definisi Semikonduktor 2.1.1 Pengertian Umum Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan ini sifatnya berada diantara insulator (isolator) dan konduktor. Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah, disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. 2.1.2 Pengertian Khusus Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara insulator (isolator) dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator (isolator) pada temperature yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor adalah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Konduktivitas semikonduktor berkisar antara 103 sampai 10-8 siemens per sentimeter dan memiliki dan celah energinya lebih kecil dari 6 eV . Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar. Bahan semikonduktor dapat berubah sifat kelistrikannya apabila temperatunya berubah. Dalam keadaan murninya mempunyai sifat sebagai penyekat ;sedangkan pada temperatur kamar ( 27 ° C ) dapat berubah sifatnya menjadi bahan penghantar. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator. Tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnet, tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitif. Sesuai dengan namanya, semi konduktor (setengah penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya antara harga daya hantar konduktor dan daya hantar isolator. Sifat tersebut dipengaruhi oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan. Pengetahuan mengenai hal tersebut perlu bagi setiap orang yang memilih profesi dibidang elektronika yang penggunannya tidak terbatas pada arus lemah saja. Adapun macam- macam dan penggunaan bahan semi konduktor antara lain seperti tabel dibawah ini:



4



Tabel I. Macam- macam Semi konduktor dan penggunannya. Nama Semi konduktor



Penggunaannya



Barium Titinate (Ba Ti)



Thermistor (PTC)



Bismut Telurida (Bi2 Te3)



Konvermasi thermoelektrik



Caldium Sulfida (Cds)



Sel foto konduktif



Gallium Arsenida (Ga As)



Dioda, Transistor, Laser,LED



Germaniun (Ge)



Dioda, Transistor



Indium Antimonida (In Sb)



Magneto Resistor,Plezo Resitor



Indium Arsenida (In As )



Plezo Resistor



Silikon (Si)



Dioda, Transistor, IC



Silikon Carbida (Si Cb )



Varistor



Germanium Silikon (Ge Si )



Pembangkitan Thermoelektrik



Selenium (Se)



Rectifier



Aluminium Stibium(Al Sb)



Dioda Penerangan



Gallium Phosphor (Ga P)



Dioda Penerangan



Indium Phosphor (In P)



Filter Infra Merah



Plumbun Suifur (Pb S)



Foto Sel



Plumbun Selenium (Pb S )



Foto Sel



Indium Subium (In Sb )



Detektor Infra Merah, Filter Infra Merah



Suatu hal yang penting untuk memahami semikonduktor adalah proses konduksi elektronik. Konduksi elektronik bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi bahan. Pada konduktor, kedua pita tersebut saling menumpuk. Pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan tidak terlalu dekat danini memungkinkan tumpang tindih jika dipengaruhi, misalnya panas, medan magnet dan tegangan yang cukup tinggi. Jarak kedua pita tersebut adalah celah energi, seperti gambar dibawah ini:



5



Pita Konduksi Pita Konduksi 6 eV



0,2 S/D 5,3 eV



Pita Valensi



Pita Valensi



Semi Konduktor



Konduktor



Isolator



Gb.I Celah energi pada bahan-bahan Dari Gb.I terlihat bahwa celah energi pada isolator intan adalah 6 eV dan intan merupakan bahan isolator dengan resistivitas yang tinggi. Jarak antara pita valensi dan pita konduksi juah sehingga walaupun elektron-elektron bebas pada pita konduksi sudah tereksistansi (terlepas dari orbitnya), elektron-elektron valensi tidak akan meloncat ke pita konduksi. Bahan konduktor celah energinya sempit sehingga kalau ada kalau ada elektron lepas dari orbitnya maka pada pita valensi akan segera mengisinya. Sedangkan bahan semi konduktor mempunyai celah energi yang lebih sempit dari pada isolator yaitu 0, 12 hingga 5, 3 eV. Misalnya, Si sebagai salah satu bahan semi konduktor mempunyai celah energy 1,1 eV. Oleh karena itu untuk menjadikan bahan semikonduktor agar dapat menghantarkan listrik dipelukan energi yang tidak terlalu besar. 2.2 Semi Konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor dari germanium (Ge) dan Silikon (Si). Germanium maupun Silikon murni adalah bahan pelican dan merupakan isolator. Pada semi konduktor intrinsik, timbulnya konduksi pada bahan-bahan tersebut disebabkan oleh proses intrinsik (misal karena energi termal) dari bahan dan tanpa adanya pengaruh bahan tambahan. Cara lain untuk mengubah Ge dan Si terbuat dari bahan semi konduktor adalah dengan mengotori bahan- bahan tersebut, misalnya dengan bahan Arsenikum (As) atau Boron (B). Bahan pengotor dari luar dari luar tersebut disuntikan pada bahan Ge dan Si. Proses penyuntikan bahan



6



–bahan tersebut disebut dengan proses doping. Penambahan bahan tersebut pada semi konduktor murni dimaksudkan untuk meningkatkan konduktivitasnya. Dari hasil pengotoran atau doping itu diperoleh bahan semi konduktor jenis P dan jenis N. Bahan semi konduktor yang mendapat tambahan As akan menjadi semi konduktor jenis N dan yang mendapatkan tambahan jenis B akan menjadi semi konduktor jenis P. Tabel II. Energi Ionisasi Bahan Pengotor Phospor Arsen Antinom Jenis- P Boron Aluminium Gallium Indium Jenis- N



2.2.1



Si ( eV) 0, 044 0, 049 0, 039 0, 045 0, 057 0, 065 0 ,16



Ge ( eV) 0, 012 0, 013 0, 010 0, 010 0,010 0, 011 0, 011



Semi Konduktor Intrinsik Sebagai contoh; Si mempunyai celah energi 1eV ini adalah perkiraan beda energi antara 2 0



inti ion yang terdekat dengan jarak ± 1 A (10 10



-10



m). Maka dari itu, diperlukan medan ± 1 V /10



-



m untuk memggeraknan elektron diatas bagian pita valensi ke bagian bawah pita konduksi.



Namun gradien sebesar itu kurang praktis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga beberapa elektron yang melintasai celah energi dan hal ini menyebabkan terjadinya semi konduksi. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas bagian pita valensi ke bagian pita thermal adalhan penyebab konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut:



P (E) = 1 / (1 + e)



(E –EF)/ KT



. . . . . . . . . . (11- 1)



7



Dimana : Ef



adalah tingkat Fermi



K E- EF



adalah konstanta Boltzman sebesar 8, 64 .10 adalah sama dengan Eg/ 2



Eg



adalah besaran energi thermal KT pada suhu kamar (0, 026 e V)



-5



Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 11- 1 diatas dapat ditulis: P (E) = e



(-Eg/ 2KT)



. . . . . . . . . . (11- 2)



0



Pada suhu 0 C semua pita elektron berada di pita valensi. Pada daerah ini kemungkinan adanya elektron adanya didaerah 0 > E > EF adalah 100 % atau P(є) = 1; semua keadaan terdapat elektron. Untuk E > EF, P (E) = 0 kemungkinan elektron di daerah E > EF adlah 0 %, semua keadaan diatas EF adalah kosong kalau energy elektron E sama besarnya dengan kemungkinan P (E). Karena perpindahan elektron- elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut.Suatu semi konduktor intrinsik mempunyai pita lubang yang sama dengan pita valensi dsan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian, elektron yang lari ke pita valensi, misalnya karena panas dapt dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang Sama lubang- lubang pada pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan NH. 2.2.2 Semi konduktor Ektrinsik Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping. Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan meningkatkan konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P, As atau Sb.



8



Pada Gb. II ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P. Pada gambar tersebut, 4 dari 5 elektron kelima dari atom P tidak mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan berputar mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah perbedaan yang penting. Elektron Bebas



Si



Si



Si



P



Si



Si



Si



Si



Si



Gb. II Silikon yang didoping dengan phosphor Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari Kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari Kristal dari perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira –kira 80 A



0



0



dibandingkan 0, 5 A dari orbit hydrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas dari tingkat energinya berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita eksistansi Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semi konduktor. Tingkat energy dari elektron ke- 5 dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semi konduktor tipe n.



9



2.2.3 Bahan- bahan Jenis- P dan Jenis- N Kristal Ge murni terdiri dar 5 atom di mana tiap atomnya mempunyai 4 elektron bebas.



elektron



Gb. III. Germanium Murni Kalau 1 atom Ge diganti dengan 1 atom lain yang mempunyai 3 elektron bebas maka kristal germanium menjadi kekurangan 1 elektron (mempunyai hole) itu menjadi bahan jenis-P. Atom yang dipasang tadi (yang menimbulkan hole) disebut atom akseptor (sanggup menarik elektron). Sebagai atom akseptor adalah bahan atom boron, aluminium, gallium, indium. Letak atom akseptor pada celah energi lebih dekat pada pita valensi.



elektron



elektron



hole



Gb. IV. Bahan Jenis-P



Gb. V. Bahan Jenis-N



Kalau atom yang menggantikan 1 atom Germanium tadi atom yang mempunyai 5 elektron bebas maka kristal Germanium mempunyai kelebihan 1 elektron. Atom yang menggantikan tadi disebut atom donor. Contoh atom donor adalah phosphor, arsen, dan antinomy. Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Germainum yang kelebihan 1 elektron tersebut disebut bahan jenis N. Bahan P banyak mengandung hole sedangkan elektron bebasnya sedikit hole merupakan mayoritas dan elektron merupakan minoritas. Bahan jenis ini berlaku pada akseptor (lebih banyak menarik elektron). Bahan jenis N banyak mengandung elektron bebas sehingga elektron bebas merupakan mayoritas dan hole sebagai minoritas. Oleh karena itu bahan jenis-N sanggup member banyak elektron bebas dan berlaku sebagai donor. Pada bahan semi kondukor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan elektron bebas. Pada bahan jenis P pembawa muatan adalah hole, sedang pembawa muatan pada bahan jenis N adalah elektron bebas. 2.2.4 Persambungan P – N Pada suhu ruang, suatu semi konduktor tipe P mempunyai pembawa muatan dengan sebagian terbesar berupa lubang-lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak-murnian,dan sebagian kecil berupa elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energy terminal.Di pihak lain,dalam semikonduktor tipe n,sebagian terbesar dari pembawa muatan adalah elektronelektron bebas dan hanya mengandung lubang-lubang yang berjumlah kecil.Jika dipakai secara terpisah,baik semikonduktor tipe n maupun semikonduktor tipe p,masing-masing tidak lebih berguna dari sebuah penghambat (resistor) karbon.Tetapi,dengan memasukkan tak-murnian ke dalam suatu kristal sedemikian rupa hingga stengahnya bertipe n dan sisanya bertipe p,maka hasilnya berupa suatu penghantar satu arah.Pembahasan berikut ini akan menjelaskan mengapa demekian halnya.



Kita tinjau suatu atom yang netral.Atom ini mempunyai elektron dan proton yang sama jumlahnya.Misalkan bahwa ialah satu elektronnya disingkirkan.Sebagai akibatnya,atom tersebut mempunyai satu muatan positif dan disebut ion positif.Sebaliknya,jika suatu atom netral diberi satu elektron tambahan,atom akan bermuatan negative dan dikenal sebagai ion negatif.



p



n



Gb.VI. Pembawa-pembawa mayoritas dan ion-ion.(a) lubang-lubang dan ion-ion negative.(b) Elektron-elektron bebas dan ion-ion positif. Gb.VI menunjukkan suatu semikonduktor tipe p.Masing-masing tanda plus merupakan lambang dari suatu lubang,sedangkan masing-masing tanda minus yang dilingkari itu merupakan representasi suatu atom akseptor yang mengandung lubang-lubang tersebut.Secara bersama lubang dan atom akseptor merupakan satuan yang netral.Namun bila suatu lubang menghilang karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron,maka atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negative yang berlebihan dan menjadi ion negative.Dalam keadaan yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1a,bahan tipe p tersebut bersifat netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda minus. Begitu pula dalam Gb.VI telah ditunjukkan semikonduktor tipe n.Disini tanda minus melambangkan elektron bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan elektron bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan atom donor yang mengandung elektron bebas dalam orbitnya.Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor bersangkutan merupakan satuan yang netral.Jika salah satu elektron tersebut meninggalkan orbitnya dari sekeliling atom donor dan pindah kepada orbit atom lain,maka atom donor itu menjadi ion positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini tidak dapat bergerak leluasa karena terikat dalam struktur kristalnya.Dalam Gb VI, bahan tipe n itu bersifat netral karena mengandung tanda minus dan tanda plus yang berjumlah sama



Pokok-pokok untuk diingat: i.



Pada saat persambungan pn terbentuk, elektron-elektron bebas mulai berdifusi menyeberangi persambungan dan kemudian ”terjatuh” ke dalam lubang-lubang.



ii.



Rekombinasi elektron-elektron bebas dengan lubang-lubang disekitar persambungan menimbulkan daerah ion-ion negative dan positif yang disebut lapisan pengosongan.



iii.



Karena terjadi potensial barier,difusi elektron-elektron bebas akan berhenti akhirnya.



iv.



Pada suhu ruang, diode silicon mempunyai potensial barier kurang lebih sebesar 0, 7 V (sekitar 0, 3 V untuk diode Ge).



2.2.5 Prategangan Maju Suatu kristal pn dapat bekerja sebagai diode karena arus didalamya hanya dapat mengalir dalam satu arah dan tidak sebaliknya.Untuk memahami mengapa demikian halnya, kita tinjau Gambar 2-3a.Perhatikan bahwa terminal negative dari baterai dihubungkan dengan sisi n dari kristal.Karena itu elektron-elektron bebas pada sisi n dari kristal.Karena itu elektron-elektron bebas pada sisi n ditolak ke a rah persambungan.Hubungan semacam ini disebut rangkaian prategangan maju (forward bias).



BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan



1. Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara insulator (isolator) dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator (isolator) pada temperature yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. 2. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor instrinsik. 3. Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping.



DAFTAR PUSTAKA Darsono dan Suhadi. 1977. Ilmu Bahan Listrik I. Jakarta: Proyek Pengadaan Buku Pendidikan Menegah Teknologi. Muhaimin. 1991. Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik. Jakarta: Andi Offset. Sumanto, Drs. 1996. Pengetahuan Bahan untuk Mesin dan Listrik. Jakarta: Andi Offset. Barmawi Malvino, Tjia. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semi Konduktor (Pengantar Transistor Rangkaian Terpadu). Jakarta: Erlangga.