bahan semikonduktor - UIGM | Login Student
advertisement
Bab 7 PENGANTAR Istilah semikonduktor dipergunakan untuk zat dengan tahanan jenis dalam selang harga antara 10-5 sampai 105 ohm-meter. Penggolongan zat menurut tahanan jenis disertakan dalam tabel: Kategori Tahanan jenis Ohm-meter Isolator 105 - 1017 Semikonduktor 10-5 - 105 Logam dan semi-logam 10-8 – 10-5 Setelah piranti elektronik dasar terbuat dari kristal semikonduktor yang dikenal sebagai transistor yang dibuat oleh Bardeen dkk (1954), minat ilmuwan untuk mempelajari sifat semikonduksi bahan padat meningkat tajam. Ciri fisik utama bahan semikonduktor antara lain: Selang harga tahanan jenis 10-5 – 105 ohm-meter Tahanan jenis menurun dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 1; sedang tahanan jenis logam meningkat dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 2. Tahanan jenis semikonduktor sangat dipengaruhi oleh ketidakmurnian kimiawi di dalamnya, cahaya yang menyinarinya, medan listrik, dan medan induksi magnetik. Pengukuran koefisien Hall dan tahanan jenis memberikan pembawa muatan yang berpolaritas negatif (elektron) dan positif. T o exp .( T ), 0 1 T 2731 a(T 273)., a 0 2 Pengukuran untuk mengetahui sifat dasar bahan semikonduktor menyangkut: Tahanan jenis (atau konduktivitas listrik σ) Konsentrasi, polaritas, dan mobilitas pembawa muatan listrik, (melalui pengukuran koefisien Hall dan hasil pengukuran konduksi). Penentuan jurang energi. Struktur Kristal dan Muasal Sifat Semikonduksi pada Germanium dan Silikon Germanium (Ge) dan Silikon (Si) berstruktur intan. Tetangga terdekat setiap atom berjumlah empat buah (bilangan koordinat: 4). Ditunjukkan dalam sketsa di bawah. (lanjutan) Ikatan kovalen antara atomnya membentuk kristal Ge dan Si. Setiap atom saling berbagi & menerima 4 elektron kulit terluarnya dengan 4 tetangga yang terdekat. Bilamana suhu kristal ditingkatkan maka akan naik pula kebolehjadian terlepasnya elektron ikatan. Artinya konsentrasi elektron bebas naik. Hal ini menerangkan mengapa tahanan jenis menurun apabila suhu kristal dinaikkan. Dalam diagram energi, ionisasi elektron ikatan dipresentasikan dengan perpindahan satu elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Tempat kosong yang ditinggalkan di pita valensi merupakan suatu hole. Dalam proses de-ionisasi elektron bebas, elektron bergabung kembali dengan hole di pita valensi. Energi sebesar 1,8 eV hilang diserap kristal. Karena proses itu, satu elektron bebas di pita konduksi dan satu hole di pita valensi sirna. Semikonduktor Intrinsik dan Ekstrinsik Teknologi dan penelitian ilmiah semikonduktor mempersyaratkan bahan yang sangat murni. Bahan baku harus memiliki kemurnian 99,99% yang kemudian harus diproses lebih lanjut menjadi sekurang-kurangnya 10 kali lebih murni. Bahan semikonduktor bersifat intrinsik bilamana konduktivitasnya tidak ditentukan oleh konsentrasi ketidakmurnian kimiawi dalam kristal. Semikonduktor bersifat ekstrinsik bilamana konduktivitas bahan ditentukan oleh ketidakmurnian kimiawi dalam kristal. Bahan semikonduktor yang sama dapat bersifat ekstrinsik pada suhu rendah, namun bersifat intrinsik pada suhu yang lebih tinggi. Konduktivitas dipengaruhi suhu kristal Semikondukor yang Dibubuhi Atom Donor atau Atom Aseptor Bila unsur As (gol.V) dibubuhkan pada kristal silikon yang murni dengan berikatan seacara kovalen, satu elektron terionisasi menjadi elektron bebas. Karena menyumbang elektron apabila terionisasi, maka dinamakan donor. Pada suhu yang lebih tinggi, akan lebih banyak elektron di pita valensi akan tereksitasi ke pita konduksi. Kontribusi elektron oleh atom donor terhadap konduktivitas dapat diabaikan terhadap kontribusi dari hasil perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Pada suhu yang relatif lebih tinggi, bahan yang dibubuhi atom donor merupakan bahan semikonduktor intrinsik. (lanjutan) Pada suhu yang agak tinggi (1/T berharga rendah) bahan semikonduktor bersifat intrinsik; pada suhu yang agak lebih rendah (1/T berharga agak lebih rendah) semikonduktor bersifat ekstrinsik. Pembubuhan unsur B pada silikon menyumbang hole pada kristal Si, atom B dinamakan atom aseptor, dan kristalnya merupakan semikonduktor tipe p, karena menyumbang pembawa muatan berpolaritas positif. Presentasi peredaran hole mengelilingi ion B- dan kedudukan ‘acceptor state’ dalam diagram pita energi ditampilkan dalam 2 sketsa di bawah Rapat Pembawa Muatan dalam Semikonduktor Pada umumnya semikonduktor mengandung atom donor dan atom aseptor Elektron tercipta dalam pita konduksi karena ionisai donor oleh getaran termal (suhu rendah) atau karena rangsangan termal yang mengakibatkan elektron pindah dari pita valensi ke pita konduksi. Daerah Intrinsik Karena atom donor maupun aseptor tidak terlalu menentukan konduktivitas intrinsik, maka dapat dianggap bahwa untuk daerah ini berlaku: ne ≡ nk, ne adalah jumlah pembawa muatan negatif (elektron) per satuan volume, sedangkan nk jumlah pembawa muatan positif (hole) per satuan volume. Jumlah pembawa muatan per satuan volume disebut konsentrasi. Syarat bagi keadaan intrinsik adalah bahwa ne ≡ nk << |Nd - Na| dengan Nd dan Na masing-masing konsentrasi donor dan akseptor dalam bahan. (lanjutan) Fungsi fermi-Dirac ( E EF f ( E ) 1 exp . k BT 1 menjadi E E f ( E ) exp . F exp . k T k T B B Ec, EV, E, adalah masing-masing harga energi terendah pita konduksi, energi tertinggi pita konduksi, dan energi Fermi (lanjutan) Jumlah ‘electron states’ per satuan volume per satuan energi untuk E>Eg adalah : 3 2 E Eg m k T ne 2 e 2B 2 exp . F exp . 2 h k BT k BT Hukum Aksi Massa 3 Eg k BT 2 me mh exp . ne nh 4 2 2h k BT 3 Tahanan jenis semikonduktor elemental di daerah intrinsik (suhu rendah) adalah: Eg Eg 3 ln ln A ln T A T exp . 2 2k BT 2kBT 1 Pengaruh Atom Bubuhan Kehadiran atom reseptor dalam bahan tidak mungkin dihindari, karena sangatlah mustahil untuk membuat kristal yang betul-betul murni. Dengan mengukur konduktivitas listrik dan koefisien Hall sebagai fungsi T padatan dan unsur bubuhan dapat diperoleh gambaran tentang prilaku semikonduktor. 1 RH ne e muatan elektron dan n jumlah elektron konduksi per volume. Sambungan P-N Batas tipis antara bagian kristal semikonduktor dengan pembawa muatan mayoritas tipe-n dan bagian lainnya dengan pembawa muatan tipe-p, dinamakan sambungan p-n. Umumnya tebal batas antara dua daerah tersebut adalah sekitar 10-8 meter. Sambungan p-n dengan ‘voltage bias’ Sambungan p-n dengan ‘voltage bias’ adalah sambungan p-n dengan medan listrik luar yang berasal dari beda potensial sebesar V dari suatu baterei. Arus total yang dihasilkan dengan ‘reverse dan forward bias voltage’ yang melintas sambungan adalah eV I I1 exp . 1 k BT eV I I s exp . 1 k BT Berikut adalah sketsa ‘reverse dan forward bias voltage’. (lanjutan) Untuk ‘reverse bias voltage’ arus diode p-n menuju ke suatu harga jenuh apabila beda potensial yang meningkat Sedangkan untuk ‘forward bias voltage’ arus diode p-n meningkat secara eksponensial dengan kenaikan beda potensial Lengkung hasil pengukuran eksperimental menunjukkan sesuainya hasil pengukuran dan teori tentang efek penyearahan pada sambungan p-n. Sambungan seperti itu berperilaku sebagai diode. Diagram Pita Energi Germanium dan Silikon Sumbu vertikal menyatakan energi elektron (eV) dan sumbu horizontal vektor gelombang K (pseudo momentum, 2π/a). Dari grafik terlihat bahwa pita valensi terdiri dari dua bagian terpisah karena ikatan spin-garis edar elektron. Jurang energi terkecil antara puncak pita valensi dan dasar lembah pita konduksi adalah Eg = 0,66eV, (lanjutan) Suatu elektron dapat melakukan transisi dari ‘electron state’ yang pertama ke ‘electron state’ yang kedua. Umpamanya, karena interaksi dengan foton berenergi Ev bermomentum linier KV yang diikuti oleh penciptaan fonon berenergi hωq, dan vektor gelombang hq. Hukum kekekalan energi dan dan momentum linier menurut: EV = Eg + hωq hkV + hko = hq + hk1 dengan ko = 0 dan k1 = 2π/a (1/2, 1/2, 1/2 ), adalah masing-masing vektor gelombang elektron sebelum dan sesudah transisi. Hukum kekekalan untuk transisi tak-langsung yang menyangkut penyerapan fonon adalah : EV + hωq = Eg, dan hkV + hq = hk1 Silikon Berikut adalah sketsa pita energi untuk Silikon. Energi transisi terkecil untuk pindah dari puncak pita valensi ke lembah paling rendah di pita konduksi memerlukan foton berenergi Ev = 1,08 eV. Untuk silikon, permukaan dengan energi elektron yang konstan di kedudukan energi terendah pada pita konduksi, terletak pada permukaan sferoid dalam ruang (k1, k2, k3). Energi elektron dinyatakan dengan k g2 k y2 k z2 E (k ) h 2 2 2m 2mt t 2 Proses Lain Absorpsi Foton Proses lain yang kemungkinan terjadi pada semikonduktor: absorpsi eksiton, absorpsi pembawa muatan bebas, dan absorpsi ketidakmurnian kimiawi. Abs. elektron menjelaskan pasangan elektron di pita konduksi dan hole di pita valensi tidak bebas satu dari yang lain, melainkan tetap merupakan satu sistem yang saling tarik-menarik. Abs.pembawa muatan bebas menjelaskan elektron di pita konduksi ataupun hole di pita valensi dapat menyerap foton tanpa mengalami transisi ke pita yang lain.
