Basic Semiconductor Physics

SEMIKONDUKTOR
1
Pengantar
2
What Is a Semiconductor?
Istilah
Definisi
Konduktor
Semua bahan, sebagian besar logam, yang
memungkinkan arus listrik mengalir melalui
bahan tersebut
Insulator
Semua bahan yang tidak bisa mengalirkan
arus listrik
Semikonduktor
Murni silikon atau campurannya, bahan
dasar bagi sebagian besar transistor.
Konduktivitas bahan dapat diubah dengan
mencampur bahan silikon dengan bahan lain
3
Semiconductors

Bahan yang memiliki sifat tidak murni konduktor dan tidak
murni insolator

Ia umumnya bersifat insulator pada suhu dekat 00C
dan bersifat konduktor pada suhu kamar

Bahan umum semikonduktor

Dasar  Intrinsik



Compound/gabungan  ekstrinsik





4
Si - Silicon (most common)
Ge - Germanium
GaAs - Gallium arsenide
GaP - Gallium phosphide
AlAs - Aluminum arsenide
AlP - Aluminum phosphide
InP - Indium Phosphide
Kristal Padat
Pada kristal padat, keteraturan atom terus berulang untuk
semua struktur di dalam kristal
Kristal silikon memiliki struktur latice seperti intan


Unit sel
5
Mengapa Silikon unik?
 Murah dan melimpah
 Sifat unik: mekanik, kimia dan
elektronik
 Bahan umum dikenal oleh manusia
SiO2: pasir, gelas
Si berada pada Gol
IV
Mirip karbon (C) dan
germanium (Ge)
Mempunyai valensi
3s² dan 3p²
6
Hakikat Silikon Intrinsik
Berbahan murni (bebas
dopping) yaitu Si atau Ge
Memiliki elektron valensi 4
dan membentuk ikatan
kovalen dengan 4 atom
tetangganya


7
Konduksi di Dalam Latice Semikonduktor
Semikonduktor (Si dan Ge) memiliki 4 elektron terluar



2 di subkulit S
2 di subkulit P
Jika jarak diantara atom menjadi pendek subkulit
menyebar menjadi pita energi
Pada saat jarak terus menerus menjadi pendek, pita saling
tumpang-tindih dan kemudian berpisah





8
Model kulit elektron tidak berlaku kembali, elektron dapat
dianggap menjadi bagian dari kristal bukan bagian dari atom
4 elektron yang mungkin berada pada pita energi paling
rendah (Pita Valensi)
4 elektron yang mungkin berada pada pita energi tertinggi
(Pita Konduksi)
Pita Energi dalam Semikonduktor

9
Ruang diantara pita disebut
Gap Energi atau Pita
Terlarang
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor

Insulators memiliki gap energi tinggi



Conductors (logam) memiliki gap energi kecil (atau
bahkan tidak ada sama sekali)



Elektron tidak bisa loncat dari pita valensi ke pita konduksi
Tidak ada arus yang mengalir
Elektron mudah loncat dari pita valensi ke pita konduksi
Arus mudah mengalir
Semiconductors memiliki gap energi pertengahan
(diantara insulator dan konduktor)


10
Hanya beberapa elektron dapat loncat ke pita konduksi
dengan meninggalkan “hole”
Hanya sedikit arus yang dapat mengalir
Insulators, Konduktor dan Semikonduktor
Pita
Konduksi
Pita
Valensi
Konduktor
11
Semikonduktor Insulator
Muatan Pembawa (Carries) dalam
Semikonduktor

Electron dan “hole”

12
We knew about electron (e), but what is a hole (h)?
 Ketika elektron menerima cukup energi untuk loncat dari
pita valensi ke pita konduksi, ia meninggalkan ruang/level
kosong. Kondisi ini menciptakan Pasangan Elektron-Hole
atau Electron-Hole Pair (EHP)

Arus hole disebabkan oleh sebuah elektron yang bergerak
berlawanan arah pada pita valensi

Arus elektron adalah elektron yang bergerak dari tingkat
ke tingkat pada pita konduksi
Pasangan Elektron-Hole

Terkadang energi panas
(termal) mampu
menyebabkan elektron
loncat dari pita valensi ke
pita konduksi


Menghasilkan electronhole pair (EHP)
Elektron juga “jatuh”
kembali keluar dari pita
konduksi menuju pita
valensi, bergabung dengan
hole
13
Pita
Konduksi
pair
elimination
pair
creation
Pita Valensi
hole
electron
Charge carriers in semiconductors

Effective mass



14
Electrons in a crystal are not totally free.
The periodic crystal affects how electrons move through the
lattice.
We use and effective mass to modify the mass of an electron in
the crystal and then use the E+M equations that describe free
electrons.
Muatan Pembawa (Carries) dalam
Semikonduktor: Massa Efektif

Effective mass/Massa Efektif
p  mv  k
E
k
15
1 2 2 2
E  mv 
k
2
2m
d 2E 2


2
dk
m
2

m*  2
d E
dk 2
Turunan kedua dari
E adalah
konstan/tetap
Tidak semua
semikonduktor
memiliki struktur
pita parabolik
sempurna
Charge carrieMuatan Pembawa (Carries)
dalam Semikonduktor: Massa Efektif

Massa Efektif
mn*
mp*
16
Ge
0.55 m0
0.37 m0
Si
1.1 m0
.56 m0
GaAs
0.067 m0
0.48 m0
Bahan Intrinsik

Kristal semikonduktor sempurna


Tidak ada muatan pembawa pada 0oK



Tidak ada dopping dari unsur lain
Pita valensi terisi penuh, pita konduksi kosong
Energi panas/termal: getaran latice dapat memutus ikatan
kovalen dan mendorong elektron masuk ke pita konduksi
Pergerakan elektron ini tetap pada beberapa latice
mengikuti kaidah distribusi Mekanika Kuantum
n  p  ni
Konsentrasi pita konduksi (elektron/cm3)
Konsentrasi pita valensi (hole/cm3)
17
Bahan Ekstrinsik


Bahan intrinsik jarang
dimanfaatkan, kecuali untuk
piranti yang konduktivitasnya
berubah berdasarkan
perubahan optik atau termal.
Salah satu cara adalah
dengan menciptakan bahan
ekstrinsik yaitu dengan
mengganti atom
semikonduktor pada latice
dengan atom dari Gol yang
berbeda (pada tabel periodik
unsur)
18
II
Zn
Cd
III
B
Al
Ga
In
IV
C
Si
Ge
V
VI
P
As
Sb
S
Se
Te
Bahan Ekstrinsik
Intrinsik (Murni) Silikon
Pada 0oKelvin kerapatan
partikel 5 x 10²³ partikel/cm³
Silikon memiliki 4
elektron valensi
Temperatur lebih tinggi
menghasilkan muatan perbawa
lebih tinggi.
 “hole” ada karena ketidakhadiran
elektron.
Pada 23oC terdapat 10¹º
partikel/cm³ partikel pembawa
bebas
19
DOPING
2 jenis doping yaitu:
Tipe-N dan Tipe-P
 Tipe N  N untuk negatif
 Atom Gol V dimasukkan
 Ada tambahan elektron
valensi yang bebas bergerak di
latice
 Tipe P  P untuk Positif.
Atom Gol III dimasukkan
 Ada tambahan hole,
elektron dari sekitar silikon
bergerak untuk mengisi hole.
20
21
Gap Pita



Diantara pita konduksi dan valensi adalah wilayah tingkat
energi terlarang, dimana elektron tidak boleh berada di
wilayah ini.
Wilayah ini disebut Gap pita E G
Silikon pada suhu ruangan [in electron volts]:
E G  11
. eV

Dimana:
1eV  1.602  10 19 joule
22
A LITTLE MATH
n= jumlah elektron bebas
p= jumlah hole
ni= jumlah elektron dalam silikon intrinsik =10¹º/cm³
pi- jumlah hole dalam silikon intrinsik = 10¹º/cm³
Muatan negatif bergerak = -1.6*10-19 Coulombs
Muatan positif bergerak = 1.6*10-19 Coulombs
Ketesetimbangan termal (tidak ada tegangan yang terukur)
n*p=(ni)2 (pendekatan suhu ruangan)
Bahan disebut tipe-N jika memiliki 10¹º elektron bebas atau
lebih (demikian pula untuk tipe-P)
23
SEKIAN
24