orbit valensi

ELEKTRONIKA
Bab 2. Semikonduktor
DR. JUSAK
-
Konduktor
Konduktor adalah sebuah bahan/elemen
yang mempunyai kemampuan
menghantarkan listrik.
Salah satu contoh bahan koduktor adalah
tembaga. Nukleus atom tembaga
terdiri dari 29 proton (bermuatan
positif) dan 29 elektron (bermuatan
negatif) yang mengelilingi nukleus
dalam orbit distinct (shells)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+29
-
-
-
-
-
-
Inti atom Tembaga (Cu)
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
2
Orbit Stabil
Nukleus positif (lihat gambar di atas) menarik elektron planetary.
Diimbangi dengan gerak melingkar dari elektron menyebabkan
elektron tidak jatuh ke dalam nukleus.
Orbit yang lebih besar dari elektron akan mengalami gaya tarik yang
lebih kecil dari nukleus. Pada orbit ini elektron berjalan lebih lambat
dan menghasilkan kekuatan centrifugal yang sedikit.
Dalam elektronik semua masalah ada pada orbit terluar yang disebut
orbit valensi. Orbit ini mengontrol kemampuan elektrikal atom.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
3
Orbit Valensi
-
Untuk menekankan pentingnya orbit valensi,
kita definisikan inti sebuah atom terdiri dari
nukleus dan semua orbit bagian dalam.
Sebuah atom tembaga, intinya berupa nukleus
(+29) dan elektron pada tiga orbit pertama (28). Ini berarti inti atom tembaga mempunyai
muatan (net charge) +1. Elektron valensi
tembaga berada pada orbit ke-4 dari inti yang
mempunyai net charge -1 dan karenanya
tarikan ke dalam orbit valensi sangat kecil.
+1
Orbit valensi atom Tembaga (Cu)
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
4
Elektron Bebas
Karena daya tarik-menarik antara inti dan valensi elektron sangat
lemah, maka sebuah dorongan lemah dapat dengan mudah
mengeluarkan elektron valensi dari inti atom tembaga. Sehingga
elektron valensi pada tembaga disebut juga sebagai elektron bebas.
Jadi elektron bebas adalah sebutan bagi elektron valensi yang dapat
dengan mudah mengeluarkan elektron-elektronnya dari inti atom.
Inilah sebabnya, tembaga disebut sebagai konduktor, karena electron
dapat bergerak dari satu atom ke atom lain dengan tegangan yang
kecil. Perpindahan electron menyebabkan adanya arus listrik.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
5
Semikonduktor
Konduktor terbaik (emas, perak, tembaga) mempunyai satu elektron
valensi, sedang isolator terbaik mempunyai delapan elektron valensi.
Semikonduktor adalah sebuah elemen yang mempunyai kemampuan
melewatkan listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktor
terbaik mempunyai empat elektron valensi.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
6
Contoh Bahan Semikonduktor
Germanium
Merupakan salah satu contoh semikonduktor dan mempunyai empat
elektron valensi. Tetapi bahan yang sangat baik untuk semikonduktor ini
mempunyai kekurangan yang fatal yaitu yaitu arus balik yang sangat besar.
Silikon
Silikon merupakan elemen yang banyak di dunia selain oksigen. Selain itu
banyak keunggulan silikon dibandingkan germanium sebagai bahan
semikonduktor. Sehingga silikon dijadikan pengganti germanium.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
7
Silikon
Sebuah atom silikon mempunyai 14 proton dan 14 elektron. 2 elektron di
orbit pertama, 8 elektron di orbit kedua dan 4 elektron sisanya di orbit
valensi.
Inti atom silikon mempunyai muatan netto +4, 14 proton dalam nukleus dan
10 elektron dalam dua orbit pertama.
-
-
-
-
-
+14
-
-
-
-
-
+4
-
-
Inti atom Silikon (Si)
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
8
Kristal Silikon
Kristal silikon adalah sebuah bentuk hasil
bergabungnya atom-atom silikon menjadi
satu kesatuan yang membentuk ikatan
kovalen.
Dengan bergabungnya atom-atom silikon,
masing-masing atom membagi 4 elektron
valensinya dengan 4 atom yang
berdampingan. Sehingga setiap elektron
dapat memiliki 8 elektron dalam orbit
valensi.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Inti atom Kristal Silikon
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
9
Penyatuan Valensi
Ketika orbit valensi mempunyai 8
elektron dan hanya dapat diisi
oleh tidak lebih dari 8 elektron
maka terjadilah penyatuan valensi.
Delapan elektron dalam orbit
valensi menghasilkan sebuah
stabilitas kimia yang
mengakibatkan bahan silikon
menjadi padat.
Ikatan kovalen pada Silikon
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
10
Hole
Ketika temperatur ambient (temperatur disekitar benda) dibawah
temperatur mutlak nol (-273oC), energi di dalam udara menyebabkan
atom-atom dalam kristal bergetar.
Jika temperatur ambient lebih tinggi maka getaran menjadi lebih besar.
Getaran dapat menyebabkan elektron valensi bergerak menuju ke orbit
yang lebih besar (lihat gambar). Elektron ini disebut elektron bebas.
Terlepasnya elektron dari orbit valensi ini menimbulkan
kekosongan yang disebut hole. Hole ini bertingkah seperti
sebuah muatan positif, sebab elektron yang hilang
memproduksi ion positif.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
11
Hole (2)
Hole yang timbul akan menarik dan
menangkap elektron yang ada di
sekitarnya. Adanya hole inilah yang
membedakan karakteristik
semikonduktor dan konduktor.
Namun, jumlah hole yang ditimbulkan
akibat energi panas dalam temperatur
ruang hanya sedikit. Karena itu untuk
menambah jumlah hole diperlukan
penambahan bahan lain (dope) pada
Silikon.
- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
12
Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni, yang mana setiap
atom di dalam kristal adalah atom silikon.
Dalam suhu ruang sebuah silikon kristal bertingkah seperti isolator karena
hanya memiliki beberapa elektron bebas dan hole yang dihasilkan oleh
energi panas.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
13
Aliran Elektron Bebas dan Hole
Gambar di samping menunjukkan sebuah
kristal silikon diantara piringan metalik
bermuatan. Asumsikan bahwa energi
panas telah memproduksi sebuah
elektron bebas dan sebuah hole.
Elektron bebas yang berada di orbit besar
awalnya berada di sebelah kanan kristal.
Elektron akan ditolak eleh piringan
negatif dan bergerak ke kiri dari satu
orbit ke orbit yang lain sampai ke
piringan positif.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
A
-
-
-
-
C
-
D
-
-
F
-
-
-
-B
-E
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
-
14
-
Aliran Elektron Bebas dan Hole (2)
Perhatikan hole pada gambar di atas, hole ini akan
menarik elektron valensi di titik A. Saat elektron di A
bergerak ke kiri, menimbulkan hole baru yang akan
menarik elektron valensi di sebelah kanannya.
Dalam hal ini elektron valensi bergerak mengelilingi
garis edar seperti ditunjukkan anak panah. Hal ini
berarti pula hole bergerak pada arah yang
berlawanan (A-B-C-D-E-F) sama seperti muatan
positif pada konduktor. Jadi hole bergerak
berlawanan arah dengan arah gerak elektron.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
15
Aliran Elektron Bebas dan Hole (3)
Gambar di atas menunjukkan sebuah
semikonduktor intrinsik dengan jumlah elektron
bebas dan hole yang sama akibat energi
thermal.
_________
+++++++++
Pemasangan baterai akan memaksa elektron
bebas bergerak ke kiri dan hole ke kanan
menuju baterai pada kutub positif dan negatif.
Di pihak lain elektron-elektron dari kutub negatif
baterai akan bergerak menuju sisi kanan kristal.
Disini berarti terdapat dua aliran, aliran elektron
bebas dan aliran hole.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
16
Penyuntikan (Doping) Silikon
Salah satu cara untuk menambah daya konduksi
semikonduktor adalah dengan menyuntik
(doping).
Hal ini dilakukan dengan menambahkan atomatom lain ke dalam kristal intrinsik (murni) untuk
merubah daya konduksi elektrikalnya.
Semikonduktor yang telah didoping ini disebut
semikonduktor ekstrinsik.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
17
Dua Jenis Penyuntikan Silikon
Menambah elektron bebas dengan dopping atom pentavalen
(memiliki 5 elektron valensi), misal : arsenic, antimony, dan
phosphorus.
Menambah jumlah hole dengan doping atom yang memiliki 3
elektron valensi, misal : aluminium, boron, dan gallium.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
18
Semikonduktor Ekstrinsik
Berdasarkan 2 jenis doping seperti dijelaskan di atas, maka
ada 2 macal semikonduktor ekstrinsik, yaitu semikonduktor
type-𝑛 dan type-𝑝.
 Type-𝑛
Silikon yang didoping dengan atom pentavalen (memiliki
kelebihan elektron) dinamakan semikonduktor type-𝑛
(negatif).
Elektron-elektron bebas dinamakan pembawa mayoritas dan
hole-hole dinamakan penghantar minoritas.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
19
Semikonduktor Ekstrinsik (2)
Pada semikonduktor type-𝑛, jumlah elektron bebas lebih banyak
daripada jumlah hole. Apabila tegangan diberikan, maka electron
bebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
20
Semikonduktor Ekstrinsik (3)
Type-𝑝
Silikon yang didoping dengan atom trivalen
(memiliki kelebihan hole) dinamakan
semikonduktor type-p (positif).
Hole-hole dinamakan pembawa mayoritas dan
elektron-elektron bebas dinamakan pembawa
minoritas.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
21
Semikonduktor Ekstrinsik (3)
Pada semikonduktor type-𝑝, jumlah hole lebih banyak daripada
jumlah electron bebas. Apabila tegangan diberikan, maka elektron
bebas akan bergerak ke kiri dan hole bergerak ke kanan. Namun
karena jumlah elektron bebas sangat sedikit, maka aliran elektron
hamper tidak membawa dampak apa-apa bagi rangkaian.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
22
Dioda Tak Bias
Pada dasarnya sebuah lempeng semikonduktor tipe-𝑛 atau tipe-𝑝
berfungsi seperti sebuah resistor karbon.
Tetapi ketika sebuah kristal merupakan perpaduan setengahnya
berupa semikonduktor tipe-𝑝 dan setengahnya lagi tipe-𝑛, maka
muncullah sesuatu yang baru.
Batas antara tipe-𝑛 dan tipe-𝑝 disebut sambungan pn. Dari sinilah
awal munculnya dioda, transistor, dan rangkaian terpadu (IC).
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
23
Dioda Tak Bias (2)
Sebuah silikon kristal yang diinjeksi dengan atom trivalen
menghasilkan satu hole. Dapat digambarkan sebagai sebuah
lempeng semikonduktor tipe-𝑝 (lihat gambar sebelah kiri), tanda
minus dalam lingkaran menunjukkan atom trivalen dan tanda plus
adalah hole dalam orbit valensi. Di sebelah kanan adalah
semikonduktor tipe-𝑛 dengan atom pentavalen (tanda plus dalam
lingkaran) dan elektron bebas dalam orbit valensi.
Masing-masing lempeng semikonduktor secara elektrikal adalah
netral sebab jumlah plus dan minus sama.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
24
Dioda Tak Bias (3)
Semikonduktor tipe-𝑝 sebelah kiri dan semikonduktor tipe-𝑛 sebelah
kanan.
p
+
+
n
+
+
- - - +
+
+
+
- - - +
+
+
+
- - - -
-+ -+ -+ -+
-+ -+ -+ -+
-+ -+ -+ -+
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
25
Dioda Tak Bias (4)
Bila dua kristal semikonduktor tipe-𝑛 dan tipe-𝑝 digabungkan akan
dihasilkan kristal tunggal dengan dua tipe. Tipe-𝑛 di satu sisi dan tipe-𝑝 di
sisi lain.
Sisi bertemunya dua tipe ini disebut sebagai sambungan 𝑝𝑛. Dan dari
sinilah muncul istilah dioda yang merupakan sigkatan dari dua elektroda,
nama lain dari 𝑝𝑛 kristal.
p
n
-+ -+ -+ -+
- - - +
+
+
+
-+ -+ -+ -+
- - - +
+
+
+
-+ -+ -+ -+
- - - +
+
+
+
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
26
Depletion Layer (Lapis Deplesi)
Ketika lapisan tipe-𝑝 dan tipe-𝑛 disambungkan, maka elektronelektron bebas pada sisi 𝑛 cenderung berpencar ke segala arah dan
beberapa melewati sambungan. Ketika elektron memasuki daerah 𝑝,
elektron bebas jatuh ke dalam hole. Karena begitu banyaknya hole,
maka elektron yang memasuki daerah p akan memiliki waktu hidup
ION
pendek.
+
+
+
- - - +
+
+
- - - +
+
+
- - - -
+
+
+
-+ -+ -+
-+ -+ -+
-+ -+ -+
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
27
Lapisan Deplesi
Saat elektron meningggalkan daerah 𝑛, ia meninggalkan atom
pentavalen menjadi sebuah ion positif. Sedang atom trivalen di sisi 𝑝
yang menangkap elektron menjadi ion negatif. Ion-ion ini tetap
dalam struktur kristal karena adanya covalent pengikat.
Masing-masing pasangan ion negatif dan ion positif dalam
sambungan disebut dipole. Dipole berarti bahwa sebuah elektron
dan sebuah hole telah terambil. Karena terbentuknya sejumlah
dipole maka daerah dekat sambungan pembawa menjadi kosong
dan disebut sebagai lapisan deplesi.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
28
Barrier Potential (Tegangan Penghalang)
Masing-masing dipole mempunyai medan listrik
antara ion positif dan negatif. Hal ini
menyebabkan jika ada elektron bebas yang
memasuki daerah deplesi akan didorong
kembali ke tempat asalnya.
Medan listrik ini sama dengan perbedaan
potensial dan disebut sebagai Tegangan
Penghalang. Pada temperatur 25oC, besarnya
hambatan potensial ini 0,3V untuk dioda
germanium dan 0,7V untuk dioda silikon.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
29
Dioda Bias Maju
Dioda di bias maju (forward bias) dihasilkan dari dioda yang
dihubungkan dengan sumber DC, dimana kutub positif sumber
dihubungkan dengan elemen tipe-𝑝 dan kutub negatif sumber
dihubungkan dengan elemen tipe-𝑛.
Tegangan dari baterai akan mendorong hole-hole dan elektronelektron bebas pada dioda menuju sambungan.
Jika tegangan baterai lebih besar dari hambatan potensial dioda,
menyebabkan elektron bebas mempunyai cukup energi untuk
melintasi daerah deplesi dan bergabung dengan hole.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
30
Dioda Bias Maju (2)
Setelah bergabung dengan hole maka elektron menjadi elektron
valensi. Elektron valensi ini akan terus bergerak ke kiri dan akan
meninggalkan dioda menuju kutub positif baterai. Hal ini berarti hole
baru akan muncul dan elektron dari kutub negatif baterai akan masuk
dioda, begitu seterusnya.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
31
Dioda Bias Mundur
Dioda dibias mundur (reverse bias) bila kutub positif baterai
dihubungkan dengan elemen tipe-𝑛 dioda dan kutub negatif baterai
dihubungkan dengan elemen tipe-𝑝 dioda.
Kutub positif baterai akan menarik elektron
bebas dan kutub negatif akan menarik hole
menjauhi lapisan deplesi. Jika tegangan
reverse meningkat maka lapisan deplesi
menjadi bertambah lebar.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
32
Dioda Bias Mundur (2)
Pada saat lapisan deplesi telah mencapai
kestabilan. Arus balik dalam kapasitas kecil
mengalir. Arus balik ini disebut arus
saturasi.
Arus balik ini sangat kecil, sehingga di
dalam aplikasi kita tidak terlalu
memperhatikannya.
Jadi dapat disimpulkan, pada saat dibias
mundur arus dalam dioda mendekati nol.
Pengukuran hambatan dioda dengan Ohm-Meter
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
33
Tegangan Patah (Breakdown Voltage)
Jika tegangan bias mundur pada dioda terus ditingkatkan, maka pada
akhirnya akan sampai pada tegangan patah dioda. Umumnya
tegangan patah ini sebesar 50V.
Saat tegangan patah tercapai, sebagian besar pembawa minoritas
tiba-tiba muncul dalam lapisan deplesi. Sehingga dioda tak ubahnya
menjadi sebuah konduktor.
Pembawa minoritas ini diproduksi oleh efek longsoran yang terjadi
akibat tegangan balik yang sangat tinggi.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
34
p
Tegangan Patah (2)
+++++-
n
V
Gambar di atas menunjukkan hal yang terjadi pada lapisan deplesi. Bias balik
memaksa elektron bergerak ke kanan. Selama bergerak, elektron
memperoleh kecepatan.
Arus balik menjadi lebih besar, elektron bergerak makin cepat. Jika elektron
ini mempunyai cukup energi, ia dapat menumbuk dan menggeser elektron
valensi dalam atom pertama ke orbit yang lebih luas.
Akibatnya terdapat dua elektron bebas. Jika ini berlangsung terus maka
jumlah pembawa minoritas meningkat dan dioda menjadi rusak.
ELEKTRONIKA – STMIK STIKOM SURABAYA
35