elektronika - I Nyoman Kusuma Wardana

advertisement
ELEKTRONIKA
Materi 4 : Fisika Semikonduktor
Oleh:
I Nyoman Kusuma Wardana
Outline
• Konduktor
• Inti atom
• Elektron bebas
• Semikonduktor
• Atom silikon
• Ikatan kovalen
• Penyatuan valensi
• Hole
• Rekombinasi & lifetime
• Semikonduktor intrinsik
• Semikonduktor ekstrinsik
• PN junction
Kusuma Wardana
Konduktor
• Tinjaulah sebuah atom tembaga
• Tembaga mrpkn konduktor yg baik
• Struktur atom tembaga trdr dari  29 proton
(muatan +) dgn 29 elektron (muatan -)
• Elektron2 bergerak dlm suatu orbit tertentu
Kusuma Wardana
Konduktor
• Susunan elektron: 2 elektron pd
kulit pertama, 8 elektron pd kulit
kedua, 18 pd kulit ketiga dan 1 pd
kulit terluar
• Orbit stabil krn gaya sentrifugal
• Dlm elektronik, semua masalah
ada dlm orbit terluar  orbit
valensi
• Orbit ini mengontrol kemampuan
elektrikal atom
Kusuma Wardana
• Kulit-kulit electron diberi
label K, L, M, N, O, P dan Q
• Tiap2 kulit dibagi lagi menjadi
sub-kulit
Kusuma Wardana
Konduktor
• Utk tembaga, intinya adlh nukleus (+29) dan 3
orbit yg pertama (-28) abaikan orbit velensi
• Jadi, net charge tembaga adlh +1 sebab meliputi
29 proton & 28 elektron dalam
• Dorongan ke dalam elektron valensi sangatlah
kecil
• Elektron bebas  sebuah dorongan keluar dpt
dgn mudah mengeluarkan elektron2 dr atom
tembaga
• Elektron valensi = elektron bebas
Kusuma Wardana
Semikonduktor
• Konduktor terbaik  satu elektron valensi
• Insulator terbaik  delapan elektron valensi
• Semikonduktor : sebuah elemen dgn
kemampuan listrik diantara konduktor dan
isolator
• Semikonduktor terbaik mempunyai 4
elektron valensi
• Contoh semikonduktor : germanium & silikon
Kusuma Wardana
Semikonduktor : Atom Silikon
• Tinjaulah sebuah atom silikon
• Atom silikon memiliki  14 proton & 14 elektron
• Net charge  +4 (karena 10 elektron dalam)
Kusuma Wardana
Kusuma Wardana
• Atom2 silikon bergabung mnjd
satu-kesatuan membentuk
struktur kristal.
• Msg2 atom silikon membagi
elektron2nya dgn 4 atom yg
berdampingan & mempunyai 8
elektron dlm orbit valensi
• Ikatan kovalen suatu tipe
ikatan kimia dmn elektron2
mnjd sebuah ikatan diantara inti
yg berlawanan
Kusuma Wardana
Semikonduktor : Penyatuan Valensi
• Setiap atom di dlm kristal semikonduktor
memiliki 8 elektron valensi  menghasilkan
stabilitas ikatan kimia shg menjd padat
• Ketika 8 elektron tdk berada dlm sebuah elemen
 cenderung mengkombinasikan & membagi2
elektron pd kulit terluar
• Ketika orbit valensi mempunyai 8 elektron 
terjd penyatuan
• Maka, orbit valensi hanya dpt diisi oleh tidak
lebih dr 8 elektron
Kusuma Wardana
Hole (Lubang)
• Temperatur ambient (Ta) temp. yg
mengelilingi udara
• Jika Ta > suhu mutlak nol (-273oC)  atom2
dlm kristal bergetar
• Makin tinggi Ta makin keras getaran tsb.
• Getaran ini dpt mengeluarkan elektron dr
orbit valensi
• Keberangkatan elektron tsb menimbulkan
sebuah lubang  hole
Kusuma Wardana
• Lubang ini berlaku sprti muatan (+) sebab
elektron yg hilang memproduksi muatan (+)
• Lubang tsb  dpt menarik & menangkap
elektron disekitarnya dgn segera
Kusuma Wardana
Rekombinasi & Lifetime
• Dlm kristal silikon murni  keberadaan energi
panas setara dlm menciptakan elektron bebas
dan hole
• Elektron bebas bergerak secara acak dlm
kristal  dpt jatuh ke lubang
• Rekombinasi  Peristiwa bergabungnya
elektron bebas dan hole
• Lifetime  jangka waktu antara muncul dan
menghilangnya sebuah elektron bebas
Kusuma Wardana
Yang terjadi dlm kristal silikon:
1. Beberapa elektron bebas
dan hole dibangkitkan oleh
energi panas
2. Beberapa elektron dan hole
yg lain berekombinasi
3. Beberapa elektron dan hole
masih menunggu
sementara utk rekombinasi
Kusuma Wardana
Intrinsik Semikonduktor
• Intrinsik semikonduktor semikonduktor
murni
• Kristal Silikon = semikonduktor murni jika
setiap atom di dlm kristal adlh atom silikon
• Dlm suhu ruang, kristal silikon bertindak sbg
insulator hanya bbrp elektron bebas &
lubang
Kusuma Wardana
Aliran Elektron Bebas & Hole
• Tinjaualah sebuah sistem seperti pd gambar di bawah.
• Elektron akan terdorong ke kiri, menuju lempengan
positif, sebab trdapat gaya tolak-menolak antara
elektron dgn piringan yg bermuatan negatif
• Hole pd gambar menarik elektron valensi A  sama
saja dgn gerakan hole ke kanan
• Lintasan hole  A-B-C-D-E-F (aliran muatan positif)
• Elektron & hole bergerak
berlawanan arah
Kusuma Wardana
Doping (Penyuntikan) Semikonduktor
• Doping  penyuntikan utk menambah daya
konduksi semikonduktor
• Proses ini menambahkan atom2 yg tdk murni
ke dlm kristal intrinsik
• Semikonduktor ekstrinsik  diperoleh
melalui penyuntikan ini
Kusuma Wardana
Doping Elektron
• Silikon disuntikan dgn elektron
pentavalent ( mempunyai 5 elektron dlm
orbit valensi). Contoh: arsenic, antimony,
fosfor.
• Ingat, atom silikon memiliki 4 elektron
valensi. Setelah ditambahkan, akan
menjadi 9 elektron.
• Terdapat 1 kelebihan elektron (elektron
bebas) sebab hanya terdapat max 8
elektron valensi utk mencapai kestabilan
• Elektron pentavalent  donor impurities
Kusuma Wardana
Doping Hole
• Doping dilakukan dgn menambahkan
atom trivalent (memiliki 3 elektron
valensi)
• Contoh: boron, alumunium, galium
• Sebuah atom trivalent dikelilingi oleh
4 atom silikon  selanjutnya
masing2 membagi eletronnya
• Total 7 elektron valensi 
kekurangan 1 elektron (membentuk
hole)
• Atom trivalent  acceptor atom
Kusuma Wardana
Semikonduktor Tipe-n
• 2 jenis semikonduktor ektrinsik  tipe-n dan tipe-p
• Diperoleh dgn menambahkan elektron pentavalent
• Semikonduktor tipe-n  elektron bebas melebihi jumlah
hole
• Elektron bebas sbg pembawa mayoritas & hole sbg
penghantar minoritas
Kusuma Wardana
Semikonduktor Tipe-p
• Silikon yg telah diisi dgn trivalent  semikonduktor
tipe-p
• Hole melebihi jumlah elektron bebas
• Hole merupakan pembawa mayoritas dan elektron
bebas merupakan pembawa minoritas
Kusuma Wardana
•
•
•
•
Diamond based semiconductors are a research and development
Activity with considerable potential at this time.
III-V compounds such as gallium arsenide.
III-VI compound semiconductors include: AlN, GaN, InN, AlP, AlAs,
AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1-xAs and InxGa1-xAs.
Kusuma Wardana
pn Junction
• Bgmn jika pabrikan menempel setengah
semikonduktor tipe-n dan setengahnya lg
semikonduktor tipe-p?
• Batas antara sambungan tipe-n&tipe-p 
disebut pn junction
• Sambungan inilah awal penemuan dioda,
transistor dan IC
Kusuma Wardana
Unbiased Diode
• Msg2 lempengan
bahan2 semikonduktor
adalah netral  sebab
jumlah positif dan
negatif adalah sama
• Kedua jenis selanjutnya
ditempelkan
• Dioda = dua elektroda
Kusuma Wardana
Depletion Layer
• Elektron2 pd sisi n cenderung
berpencar ke segala arah
• Bbrp elektron bebas menyebar melalui
sambungan
• Segera memasuki daerah p, elektron
akan jatuh ke hole
• Ketika ini trjd, hole hilang & elektron
bebas mnjd elektron valensi
• Peristiwa ini menimbulkan ion.
• Msg2 ion negatif dan positif disebut
dipole
• Krn terbentuknya dipole, daerah dekat
sambungan menjadi mjd kosong muatan
• Daerah ini lapisan deplesi
Kusuma Wardana
Barrier Potential
• Msg2 dipole mempunyai medan listrik antara ion negatif dan
positif
• Medan listrik antara ion-ion sama dengan perbedaan
potensial
• Hal inilah yg disebut sbg hambatan potensial (barrier
potential)
• Pada 25oC, hambatan potensial sebesar 0.3 V utk dioda
germanium, dan 0.7 V utk dioda silikon
Kusuma Wardana
Bias Maju
• Sisi p dihub. dgn (+) baterai & sisi n dihub. dgn
(-) baterai
Kusuma Wardana
Bias Maju
Aliran Elektron-elektron Bebas
• Kasus: tegangan baterai < hambatan
potensial
• Elektron bebas tidak mempunyai cukup
energi utk melewati daerah deplesi
• Ketika mereka msk ke lapisan deplesi, ion2
tsb akan mendorongnya kembali menuju
daerah n  tdk ada arus yg melintasi
dioda
Kusuma Wardana
Bias Maju
• Kasus: tegangan baterai > hambatan potensial
• Baterai mendorong kembali lubang2&
elektron2 bebas menuju sambungan
• Elektron bebas mempunyai cukup energi utk
melintasi sambungan dan bergabung dgn hole
• Karena elektron2 bebas scr terus-menerus
memasuki ujung kanan dioda & hole trcipta di
ujung kiri tercipta aliran arus terus-menerus
Kusuma Wardana
Bias Balik
• Terminal negatif baterai  terhubung tipe p
• Terminal positif baterai  terhubung tipe n
• Rangkaian ini menghasilkan reverse bias (bias balik)
Kusuma Wardana
Bias Balik
• Negatif baterai  menarik hole
• Positif baterai  menarik
elektron
• Oleh karena itu, hole dan
elektron bebas mengalir keluar
sambungan  menyebabkan lap.
deplesi bertambah lebar
• Tegangan reverse meningkat 
lap. deplesi bertambah lebar
• lap. deplesi berhenti berkembang
ketika perbedaan potensial sama
dengan tegangan reverse
Kusuma Wardana
Bias Balik
Minority-Carrier Current
• Pembawa arus minoritas (Minority-Carrier
Current) merupakan arus kecil yg terjd ketika lap.
deplesi telah stabil
• Arus ini disebabkan oleh energi thermal (panas)
• Energi panas terus-menerus menghasilkan
pasangan elektron-hole di dlm lapisan deplesi 
maka ada arus kecil secara terus-menerus
mengalir dlm rangkaian kuar.
Kusuma Wardana
Bias Balik
Surface-Leakage Current
• Arus permukaan bocor (surface-leakage
current)  arus kecil yg mengalir pd
permukaan kristal
• Arus ini disebabkan karena permukaan yg
tidak murni dan tidak sempurna dlm struktur
kristal
Kusuma Wardana
Breakdown
• Jika tegangan balik dinaikkan secara terus-menerus,
maka akan sampai pd tegangan breakdown
• Ketika tercapai teg.breakdownsebagian besar
pembawa minoritas muncul dlm lapisan deplesi
• Ketika teg.balik bertambah  pembawa minoritas
dipaksa utk bergerak lebih cepat
• Ketika mempunyai cukup energi, pembawa minoritas
akan memukul elektron valensi  menghasilkan
elektron bebas
• Proses ini berlanjut sampai arus balik mnjd sangat
besar
Kusuma Wardana
Breakdown
• Reverse voltage memaksa
elektron bebas utk bergerak ke
kanan
• Jika elektron kecepatan tinggi
mmpunyai cukup energi 
maka akan menggeser
elektron valensi dlm atom ke
orbit yg lebih luar
• Hasil akhir dr proses ini adlh 2
elektron bebas
• Dlm hal ini jumlah minoritas
mnjd sangat banyak
Kusuma Wardana
Daftar Pustaka
• Malvino, A.P. 1989. Electronics Principles.
McGraw Hill, New York.
• Malvino, A.P. 1999. Prinsip-Prinsip Elektronika
(terjemahan). Salemba Teknika, Jakarta.
• http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_
2/5.html
Kusuma Wardana
Download