Fisika Semikonduktor

LOGO
Fisika Semikonduktor
Afif Rakhman, S.Si., M.T.
Contents
1
2
Orbit-Orbit Elektron
Lintasan-Lintasan yang Terlarang
3
Tingkatan Energi
4
Kristal-Kristal
5
Pita Energi
6
Semikonduktor Intrinsik
Contents
7
Semikonduktor Ekstrinsik
8
Peralatan Semikonduktor
Niels Bohr (1885-1962)
Setelah diejek dan dicemooh beberapa rekan karena
menyarankan elektron mengelilingi inti atom, di
kemudian hari Bohr menerima hadiah Nobel untuk
model atomnya yang imaginatif.
Walaupun model Bohr tidak lagi memuaskan ahli-ahli
fisika atom, model tersebut merupakan pendekatan
untuk atom yang bermanfaat.
Pendahuluan
 Untuk memahami cara kerja dioda, transistor, dan
integrated circuit (IC) terlebih dahulu kita harus
mempelajari semikonduktor.
 Semikonduktor merupakan bahan-bahan yang yang
bukan konduktor dan bukan pula isolator.
 Konduktor banyak mengandung elektron bebas,
sedangkan isolator hampir tidak mengandung elektron
bebas.
 Semikonduktor mengandung beberapa elektron bebas,
akan tetapi yang membuat semikonduktor bermanfaat
adalah kehadiran “lubang-lubang” di dalamnya.
Orbit-Orbit Elektron
 Tahun 600 SM
Orang-orang Yunani menemukan bahwa batu amber
yang digosok mempunyai satu jenis muatan listrik dan
gelas yang digosok mempunyai muatan listrik dari jenis
lain.
 Tahun 1750
Franklin menyebut jenis pertama muatan yang positif
dan jenis kedua merupakan muatan yang negatif.
 Tahun 1897
Thomson menemukan elektron dan telah membuktikan
bahwa muatannya negatif.
 Penemuan-penemuan di atas diikuti dengan penemuan
proton (bermuatan positif) dan neutron (tidak
bermuatan).
Atom Boron (B)
Gaya-gaya dalam atom membatasi gerak-gerak elektron
dalam suatu daerah berdimensi tiga yang disebut kulit-kulit.
(a) Tiga dimensi
(b) Dua dimensi
Gambar dua dimensi untuk memudahkan dalam
menggambar atom-atom yang kompleks, seperti Cu dan Si
Konduktor
Tembaga mempunyai konduktivitas yang tinggi.
(a) Dua dimensi
(b) Penyederhanaan
Satu elektron yang berada pada orbit paling luar berada
demikian jauh dari inti, sehingga hampir tidak merasakan
gaya tarik inti (elektron bebas).
Konduktor
 Elektron bebas dapat dengan mudah berpindah dari satu
atom ke atom yang di dekatnya.
 Konduktor yang baik (perak, tembaga, dan emas)
mempunyai satu elektron valensi yang dapat dengan
mudah berpindah bebas dari satu atom ke atom
berikutnya.
Semikonduktor
 Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-contoh
semikonduktor.
 Mempunyai empat elektron valensi
(a) Germanium
(b) Silikon
 Silikon paling banyak digunakan dalam produksi
semiconductor devices
Jumlah Elektron Valensi
Dengan melihat elektron valensinya, kita dapat
membedakan apakah sebuah bahan termasuk konduktor,
isolator, atau semikonduktor.
1 elektron valensi  konduktor
8 elektron valensi  isolator
4 elektron valensi  semikonduktor
Lintasan-Lintasan yang Terlarang
 Satelit yang mengitari bumi bergerak dengan kecepatan
yang tepat untuk membuat kesetimbangan di antara gaya
gravitasi dan sentrifugal.
 Elektron-elektron serupa dengan satelit karena bergerak
dalam lintasan-lintasan yang stabil mengelilingi inti.
 Perbedaannya, beberapa orbit dengan ukuran tertentu
terlarang untuk diisi elektron.
 Jari-jari lintasan elektron dalam hidrogen :
Terkecil  r1 = 0,53 (10-10) m
Berikutnya  r2 = 2,12 (10-10) m
Semua jari-jari lintasan antara r1 dan r2 terlarang, tidak
peduli berapapun kecepatan elektron (penemuan fisika
kuantum)
Lintasan-Lintasan yang Terlarang
 Semakin jauh dari inti, kecepatan elektron semakin
lamban.
Tingkatan Energi
 Untuk memindahkan elektron dari lintasan yang pertama
ke lintasan yang kedua diperlukan energi dari luar untuk
mengatasi daya tarikan inti.
 Apabila elektron diperkenankan kembali ke tempat
semula, elektron akan melepaskan energi dari luar
tersebut.
(a) Lintasan elektron
(b) Tingkatan energi
Tingkatan Energi
Apabila suatu radiasi dari luar menghujani sebuah atom,
maka :
 Radiasi memasukkan energi kepada sebuah elektron dan
mengangkatnya ke tingkatan energi yang lebih tinggi
(eksitasi).
 Eksitasi mempunyai umur yang terbatas (beberapa nano
detik), setelah itu elektron yang diberi energi akan
kembali ke tingkatan energi semula.
 Pada waktu kembali, elektron akan melepaskan energi
yang diperolehnya dalam bentuk panas, cahaya, atau
radiasi yang lain.
Kristal-Kristal
 Apabila atom-atom silikon bergabung membentuk zat
padat, atom-atom tersebut membentuk suatu pola teratur
yang disebut kristal.
 Masing-masing atom bergabung sehingga lintasan
valensinya mempunyai 8 elektron (stabil)
Membentuk 8 ikatan kovalen
Elektron Bebas dan Lubang
Apabila ambient temperature (temperatur lingkungan) di
atas temperatur nol mutlak (-2730C), maka :
 Energi panas menyebabkan atom-atom silikon dari kristal
bergetar.
 Makin tinggi temperatur, makin kuat getaran mekanik
atom-atom silikon.
 Getaran yang acak dari atom-atom silikon kadangkadang dapat mengeluarkan sebuah elektron dari
lintasan valensinya.
 Elektron yang meninggalkan lintasan valensinya menjadi
elektron bebas dan kepergiannya meninggalkan
kekosongan dalam lintasan valensi (lubang atau hole).
Elektron Bebas dan Lubang
Rekombinasi dan Umur
 Pada sebuah kristal silikon murni, elektron bebas dan
hole yang dibentuk oleh energi thermal sama banyak.
 Elektron bebas bergerak secara acak dalam kristal.
 Kadang-kadang sebuah elektron bebas mendekati
sebuah lubang, tertarik, dan memasuki lubang tersebut
(rekombinasi)
 Umur elektron bebas ini berkisar beberapa nano detik.
Pita Energi
Dalam sebuah kristal, tidak ada dua elektron yang
mempunyai tingkatan energi sama (prinsip larangan Pauli)
Pita energi dalam kristal silikon :
(a) Pada temp. nol mutlak
(b) Di atas nol mutlak
Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor Intrinsik adalah suatu semikonduktor murni,
misalnya kristal silikon murni.
Bila dihubungkan dengan sumber tegangan :
 Temperatur nol mutlak
 Tidak ada arus yang mengalir
 Berperilaku sebagai isolator
 Di atas nol mutlak
 Atom-atom mulai bergetar.
 Elektron valensi lepas dari ikatan, masuk ke dalam pita
konduksi.
 Makin tinggi temperatur, makin besar arus
 Besar arus pada semikonduktor << besar arus pada
konduktor
Arus Elektron dan Aliran Lubang
Semikonduktor Ekstrinsik
 Pada temperatur kamar, banyaknya elektron bebas dan
lubang tidak mencukupi untuk kebanyakan penerapan
praktis  arus pada semikonduktor ekstrinsik sangat
kecil.
 Suatu cara untuk menaikkan konduktivitas adalah
memberikan tak-murnian (doping).
 Doping  membubuhkan atom-atom tak-murnian pada
sebuah semikonduktor instrinsik.
Peningkatan Elektron Bebas
Atom-atom yang bervalensi 5 (seperti arsenikum) dapat
dibubuhkan pada silikon yang meleleh
 Cara di atas menghasilkan semikonduktor tipe n
Peningkatan Banyaknya Lubang
Atom-atom yang bervalensi 3 (seperti aluminium, boron,
dan galium) dapat dibubuhkan pada silikon yang meleleh.
 Cara di atas menghasilkan semikonduktor tipe p
Dua Jenis Semikonduktor Ekstrinsik
Peralatan Semikonduktor
 Dioda
 Semikonduktor ekstrinsik yang mempunyai dua derah
yang diberi tak-murnian.
 Memungkinkan arus mengalir pada satu arah dan
menahan arus dari arah yang berlawanan
 Transistor
 Tiga daerah yang diberi tak-murnian
 Dapat digunakan untuk memperkuat arus
Peralatan Semikonduktor
 Serpihan (chip)
Dengan menggunakan teknik pemotretan yang maju,
pabrik dapat membuat rangkaian di atas permukaan
serpihan ini yang banyak mengandung dioda,
transistor, dan sebagainya.
LOGO