Energi celah pita (bandgap)

SEMIKONDUKTOR
MATERIAL SEMIKONDUKTOR
Suatu bahan di alam ini dapat dibagi menjadi beberapa
bagian berdasarkan sifat kelistrikannya yaitu :
 Bahan Isolator
memiliki harga  sekitar 1014 – 1022 .cm
 Bahan Semikonduktor
memiliki harga  sekitar 10-2 – 109 .cm
 Bahan Konduktor
memiliki harga  sekitar 10-5 .cm
PITA-PITA ENERGI UNTUK ZAT PADAT
Energy elektron
Energi gap yang lebar
antara pita valensi dan
pita konduksi pada
insulator
menggambarkan
bahwa elektron sangat
sulit mencapai pita
konduksi pada
temperatur biasa
Insulator
overlap
Semikonduktor
Dalam semikonduktor, celah
pita energi (band gap) cukup
kecil sehingga dengan energi
termal saja sudah dapat
mengeksitasi elektron ke pita
konduksi
Dalam konduktor tidak ada
band gap karena pita valensi
dan pita konduksi saling
tumpang tindih (overlap)
Konduktor
Level Fermi
Bahan semikonduktor banyak digunakan sebagai bahan
baku untuk pembuatan komponen elektronik Modern seperti
dioda, transistor, kapasitor dsb
 Germanium merupakan semikonduktor
yang pertama kali dIeksplorasi 1947
untuk aplikasi transistor
 Silikon sampai saat ini banyak
digunakan untuk bahan pembuatan
komponen elektronik dengan
pertimbangan :
 Bahan cukup melimpah di alam
 Harga relatif murah
 Mudah dioksidasi untuk
membentuk
bahan isolator SiO2
 Semikonduktor Paduan II-VI atau III-V
banyak dimanfaatkan untuk aplikasi
elektronik maupun optoelektronik
ELEKTRON-ELEKTRON VALENSI
Elektron-elektron dalam kulit terluar sebuah atom disebut elektron-elektron valensi. Elektronelektron tersebut menentukan sifat dasar reaksi-reaksi kimia atom dan terutama menentukan
sifat listrik material padat.
Boron
3 elektron
valensi
Silikon
4 elektron
valensi
Antimoni
5 elektron
valensi
Komponen elektronik pada era sebelum teknologi semikonduktor dimulai
telah dibuat dalam bentuk tabung vakum seperti dioda (1904) dan trioda
(1906)
Era Teknologi Semikonduktor dimulai tahun 1947 dengan ditemukannya
transistor dari bahan Germanium
Transistor bipolar pertama
Terbuat dari Germanium
Transistor bipolar pertama kali
Dibuat oleh Bardeen, Shockley
dan Brattain
Evolusi Komponen Elektronik
KRISTAL SILIKON
 Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling
berdekatan dan saling berikatan satu sama lain membentuk suatu
ikatan yang disebut ikatan kovalen
Gambaran ikatan kovalen atom silikon Pada kondisi nol mutlak. Setiap atom
Si menyumbangkan satu elektron untuk tiap pasangan ikatan kovalen
KRISTAL SILIKON PADA KEADAAN DI ATAS NOL KELVIN
Gambaran ikatan kovalen atom Si pada kondisi temperatur tinggi.
Penambahan energi termal menyebabkan putusnya ikatan kovalen
yang menghasilkan pasanga elektron-hole
DIAGRAM PITA ENERGI SILIKON
DIAGRAM PITA ENERGI GERMANIUM
ENERGI CELAH PITA (BANDGAP)
Energi
celah
pita
(bandgap) merupakan
energi minimum yang
dibutuhkan
untuk
membebaskan elektron
dari ikatan kovalen
dalam kristal semikonduktor
TIPE SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor Intrinsik
 Semikonduktor Intrinsik merupakan semikonduktor murni yang
belum diberi atom pengotor (impuritas)
 Kerapatan elektron dalam semikonduktor intrinsik
EG = Energi celah pita semikonduktor dalam eV
B = Konstanta Bahan (untuk Si B=1,08 x 1031 K-3 cm-6
T = temperatur (K)
k = konstanta Boltzmann 8,62 x 10-5 eV/K
ni  1010 cm-3 untuk silikon pada temperatur kamar
 Apabila semikonduktor mendapatkan energi termal,
maka hal ini dapat menyebabkan pecahnya ikatan
kovalen yang akan menghasilkan elektron bebas
 Akibat ditinggalkan oleh elektron maka pada pita
valensi terdapat kekosongan-kekosongan yang
disebut lubang (hole)
 hole dapat dianggap sebagai muatan positif yang
dapat bergerak ketika kekosongan (lubang) diisi oleh
elektron yang berasal dari pecahnya ikatan kovalen
atom tetangga terdekat.
 Pergerakan hole ini disebut arus hole
Pada semikonduktor intrinsik kerapatan hole (p)
sama dengan kerapatan elektron (n)
pn = n2
SEMIKONDUKTOR INTRINSIK
Generasi hole
dan elektron
Gerakan hole
hole
Elektron
bebas
GAMBARAN TENTANG PEMBENTUKAN HOLE
ARUS LISTRIK PADA BAHAN SEMIKONDUKTOR
Elektron dan hole keduanya memberi kontribusi pada aliran arus listrik dalam bahan
semikonduktor intrinsik
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK
 Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor murni
yang telah diberi atom pengotor (impuritas)
 Proses penambahan atom pengotor (impuritas) disebut
doping
 Dengan proses pendopingan tersebut memungkinkan
adanya kontrol terhadap harga resistivitas bahan
 Untuk silikon, atom pengotornya diambil dari atom
golongan III dan V dalam tabel periodik
DOPING SEMIKONDUKTOR
Penambahan atom-atom impuritas dari golongan yang berbeda dalam kisi kristal silikon atau
germanium, akan menghasilkan perubahan dramatis pada sifat-sifat listriknya dan
menghasilkan semikonduktor tipe-n dan tipe-p.
Antimoni, Arsen,
Fosfor
(5 elektron
valensi)
Menghasilkan
semikonduktor
tipe-n oleh
kontribusi
elektron
tambahan
+5
+ 51
Boron, Aluminium,
Galium
(3 elektron valensi)
Menghasilkan
semikonduktor tipep oleh pembentukan
hole atau
kekosongan
elektron
 Apabila atom pengotor dapat menyumbangkan elektron
pada semikonduktor murni maka pengotor tersebut disebut
atom donor
 sebagai atom donor pada Si
diambil dari golongan V seperti
fosfor
 Atom fosfor memiliki elektron
valensi 5, sehingga ketika
membentuk ikatan dengan
atom Si maka akan
menyumbangkan satu elektron
 Tipe semikonduktor
ekstrinsik ini adalah tipe-n
 Apabila atom pengotor memerlukan elektron tambahan agar
dapat berikatan dengan atom semikonduktor murni,maka
pengotor tersebut disebut atom aseptor
 sebagai atom aseptor pada Si
diambil
dari golongan III
seperti Boron

Atom Boron memiliki elektron
valensi 3, sehingga ketika
membentuk ikatan dengan
atom Si
maka akan
menyumbangkan satu hole
 Tipe semikonduktor
ekstrinsik ini adalah tipe-p
MODEL ENERGI PITA PADA SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK
Semikonduktor yang telah didoping
atom donor
Atom donor memiliki elektron
bebas dengan energi ED yang
relatif kecil, sehingga
memudahkan perpindahan
Elektron dari atom donor ke pita
konduksi
Semikonduktor yang telah didoping atom
aseptor
Ikatan yang terbentuk antara atom
aseptor dengan semikonduktor murni
akan menghasilkan kekosongan dengan
energi EA,
Keadaan tersebut akan
memudahkan pindahnya elektron dari
pita valensi ke tingkat keadaan aseptor
TIPE ARUS LISTRIK DALAM SEMIKONDUKTOR
ARUS HANYUT (DRIFT)
 Ketika semikonduktor diberi medan listrik, maka partikelpartikel bermuatan akan bergerak atau hanyut (drift)
yang disebut arus hanyut (arus drift)
 Laju drift dari partikel bermuatan tersebut berbanding
lurus dengan medan listrik E
dan
vn dan vp adalah laju dari elektron dan hole (cm/s)
n dan p adalah mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)
 Rapat arus drift
jn = qn n E (A/cm2)
jp = qp p E (A/cm2)
jT = jn + jp = q(n n + p p)E= E
Konduktivitas =q(n n + p p)
Resistivitas  = 1/ 
(.cm)
(1/.cm)
ARUS DIFUSI
 Arus Difusi terjadi akibat adanya perbedaan
konsentrasi muatan pembawa
 Arus Difusi mengalir dari daerah yang memiliki
konsentrasi muatan tinggi ke daerah yang
konsentrasi muatannya rendah
 Arus difusi sebanding dengan gradien konsentrasi
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari
hole dan elektron
ARUS TOTAL DALAM SEMIKONDUKTOR
Arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari
arus drift dan arus difusi
PEMBENTUKAN SEMIKONDUKTOR SAMBUNGAN pn
Semikonduktor Silikon yang didoping fosfor akan
menyebabkan konsentrasi elektronnya meningkat (tipe-n)
elektron
Atom Donor
Semikonduktor silikon yang didoping Boron akan menyebabkan
konsentrasi holenya meningkat (tipe-p)
hole
Atom aseptor
Pembentukan sambungan pn dapat dilakukan dengan
menggabungkan semikonduktor tipe-p dengan tipe-n
Tipe-p dengan konsentrasi atom
aseptor NA
hole
elektron
Tipe-n dengan konsentrasi
Atom donor ND
Karena adanya perbedaan konsentrasi maka:
 elektron akan berdifusi dari tipe-n ke tipe-p
 hole akan berdifusi dari tipe-p ke tipe-n
Ketika elektron bertemu dengan hole maka
elektron akan mengisi hole
 Daerah pertemuan elektron dengan hole akan menjadi
daerah muatan ruang (lapisan deplesi)
 Dalam daerah muatan ruang tersebut akan terbentuk
medan listrik E
E
E
Daerah muatan positif
Daerah muatan negatif
Tanpa panjar
Tipe-n
Tipe-p
Tipe-n
Tipe-p
Tanpa Panjar
Tipe-n
Tipe-n
Tipe-p
Tipe-p