bab viii kristal semikonduktor

BAB VIII
KRISTAL SEMIKONDUKTOR
MATERI :
8.1.Kristal semikonduktor intrinsik.
8.1.1.teknik pengukuran celah energi.
8.1.2.massa efektif
8.1.3.lima alasan hole dianggap sebagai partikel
bermuatan positif.
8.1.4.konsentrasi elektron
8.1.5.konsentrasi hole.
8.2.Kristal semikonduktor ekstrinsik.
8.2.1. tingkat energi donor
8.2.2. tingkat energi akseptor
8.2.3. konsentrasi elektron
8.2.4.konsentrasi hole.
INDIKATOR
Mahasiswa harus dapat :
 menjelaskan teknik pengukuran celah energi.
 menjelaskan arti fisis dari massa effektif.
 menjelaskan 5 alasan mengapa hole dapat
dianggap sebagai partikel bermuatan positif.
 menghitung konsentrasi elektron/hole dalam
semikonduktor intrinsik.
 menentukan tingkat energi atom-atom
donor/akseptor
 menghitung konsentrasi elektron/hole dalam
semikonduktor ekstrinsik.
JENIS SEMIKONDUKTOR
INTRINSIK
Semikonduktor murni (tanpa pengotor)
Contoh golongan IV A (Si, Ge, Ga)
EKSTRINSIK
Semikonduktor tidak murni (karena sudah
disisipi atom atom lain)
Golongan IIIA dan VA dapat digunakan untuk
mengotori semikonduktor murni.
JENIS SEMIKONDUKTOR
• Semikonduktor intrinsik
JENIS SEMIKONDUKTOR
 Semikonduktor ekstrinsik
Sel primitif silikon berbentuk kubus
Satu buah elektron
yang dipakai bersama
E
Si
Ek
Si
Ev
E g  E k  Ev
k
Cara Mengukur Celah Energi
 Penyerapan langsung
Penyerapan
 Penyerapan tak langsung
Penyerapan
E
E    E g
Eg    
fonon
E
foton
•Penyerapan langsung
•Penyerapan tak langsung



PERSAMAAN GERAK ELEKTRON DALAM
SEBUAH PITA ENERGI
KECEPATAN KELOMPOK UNTUK BEBERAPA FUNGSI GELOMBANG
d
Vg 
dk
Frekuensi sudut
E


E = energi
34
h
6
,
63
.
10
js


2
2.3,14
Jadi :
Atau ,
Vg 
d
d E
1 d
( ) 
( )
(E)
dk
dk 
 dk
1
V g  E ( k )

Usaha yang dilakukan oleh medan listrik pada elektron :

 
E  F .x  eE.Vg .t
Kita ketahui bahwa
dE
E 
k
dk
Maka persamaan (1) menjadi
dE
 Vg 
dk
E  V gk
Bila kita bandingkan persamaan 2 dan 3

 eEVg t
E

E
Vg k
maka
Jadi
eE
k   t



dk
F  
dt
atau


k
dk
     eE
t
dt
Persamaan gerak elektron
Massa Effectif (m*)
Turunkan persamaan Vg terhadap waktu (t)
d
d  1 d  d 
Vg   


dt
dt   dk  dkdt
2
2
d
d
 dk
-1
(Vg) = (ħ )
dk 2 dt
dt
dari persamaan gerak kita ketahui bahwa ,


dk
F

dt

Maka bila di substitusi kepersamaan menjadi,

2
2

d
d
d

d

F
-2
atau
(Vg-) = ħ
F
(Vg-) = ħ-1
2
2
dt
dk
dt
dk 
d
(Vg)= percepatan
dt
Karena :
F
maka

2
= gaya
d2  1

2
dk
m*
Dengan m* adalah massa effektif
Perbedaan Antara Hole dan
Elektron
1.


Ke  Kh
2.
h ( K h )   e ( Ke )
3.
Vh  Ve
4.
mh   me
V 



 
5.  dK h  F  e  E  1 V  B 
h
h


dt
c


1
d
dk

dKe 
  1  

 Fe  e  E  Ve  B 
dt
c




Fh   Fe
Konsentrasi Elektron (pembawa) dalam
semikonduktor murni (instrinsik) terhadap:
celah energi (Eg)
Syarat dari Distribusi Fermi Dirac adalah:
 Partikelnya tak terbedakan
 Berlaku eklusif Pauli
 Jumlah partikel N tidak boleh terlalu besar dari harga degenerasi
(g) di setiap tingkat.
Distribusi Fermi Dirac :
Untuk
    K BT
f E 
1
e(  ) / K BT  1
f E 
1
e(  ) / K BT
f  E   e(  )
 e(  ) / K BT
K BT
Bila energi sebuah elektron dalam pita konduksi
adalah:
E
EK
EV
P.K
2 K 2
e K 
2me
Elektron dengan energi kinetik
sebesar:
2 2
P.V
 K
2me
Rapat Keadaan Untuk Elektron
32
V  2me 
De ()  2  2 
2   
V  2me 
De ()  2  2 
2   
12
 energi elektron 
32
12
  EK 
Jumlah elektron dalam pita konduksi adalah:
~

N 

D e (  ) f e (  )d 
k
~
N


k
V  2m e 
 2 
2
2   
3/ 2
   k 1 / 2 e (   ) / k T d 
B
ne
Konsentrasi elektron adalah
~
ne
ne
ne
f e ( )  e
dimana
1  2me 
 
 2 
2

k 2  
1  2m e 

 2 
2
2   
 m e k BT
 2 
2
2



3/ 2

  k 1 / 2 e (   ) / k T d 
B
3/2
e  / k BT
~
1 / 2  / k T





e
d
k

B
k



N
V
3/2
e (   k ) / k B T
(   ) / k B T
ne
•
 m ek BT
 2 
2


2




3 / 2
e
(   k ) / k BT
Merupakan persamaan yang menyatakan konsentrasi elektron
dalam pita konduksi, tetapi belum merupakan fungsi
•
Untuk menjadikan persamaan 6 sebagai fungsi
Eg
Eg
terlebih
dahulu kita hitung konsentrasi hole dalam pita valensi
Distribusi Fermi Dirac untuk Hole
f
f h  1  fe
fh
fh  1 
fc
1
e(  ) / K BT  1
EF E
fh 
e
(  ) / K BT
e
(  ) / K BT
fh 
e
1

1 e
(  ) / K BT
e(  ) / K BT  1
1
(  ) / K BT
1
fh 
fh 
1
1
1
e (  ) / K B T
1
1 e
(  ) / K BT
Untuk: (   ) K BT
Rapat Keadaan Untuk Hole
V  2mh 
Dh ()  2  2 
2   
32
 Energi hole 1 2
fh  e
(  ) / K BT
E
P.K
EK
EV
Dh () 
V  2 mh 


2 2   2 
32
 EV  1 2
P.V
hole
Dengan cara yang sama pada elektron,maka
Jumlah hole dalam pita valensi
N

v

Dh (  ) f h (  ) d 
~
Konsentrasi hole adalah
1  2mh 
nh  2  2 
2   

np
3/ 2
e
  / k BT
N
V
v

v  

1/ 2
e/ kBT d 
~
Dengan cara yang sama untuk konsentrasi elektron, maka
 mh k BT 
nh  2 
2 
 2  
3/ 2
e(v   ) / kBT
Untuk semikonduktor intrinsik :
ne . n p
ne . n p
 m e k BT 

 2 
2 
 2  
 k BT
 4 
2
2



ne  n p
3/ 2
e
(  k ) / k BT
 m h k BT 

2 
2 
 2  
3/ 2
e ( v   ) / k BT
3

 ( m e . m h ) 3 / 2 e (  k ) / k BT e ( v   ) / k BT

c
ne . n p
ce
 ( k v ) / k B T
 ce
 E g / k BT
Jika
ne  n p maka
ne . n p
Dan
2
2
 ne  n p  c e
ne  n p
 ce
 (  k  v ) / k B T
 ce
 E g / k BT
 E g / k BT
Jadi:
ne .  n p
 k BT
 2 
2
 2 
3

 E g / 2 k BT
3/4
 ( m e . m h )
e

Aplikasi Dan Pengembangan Bahan
Semikonduktor




Transistor
Transistor adalah semikonduktor yang dipakai sebagai
penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan,
modulasi sinyal
Dioda
Dioda berfungsi membatasi arah pergerakan muatan listrik,
dioda hanya mengijinkan arus searah untuk mengalir ke satu
arah saja dan menghalangi aliran ke arah yang berlawanan.
Sel Surya
Sel surya adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari
sebuah wilayah-besar dioda p-n junction , di mana, dalam
cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang
berguna
Mikroposesor
Mikroprosesor (disingkat µP atau uP) adalah sebuah sentral
procesing unit (CPU) elektronik komputer yang terbuat dari
transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sebuah sirkuit
integrasi semikonduktor
Aplikasi Dan Pengembangan
Bahan Semikonduktor
Untuk mendapatkan alat-alat semikonduktor yang bermutu tinggi, hal yang
terpenting adalah mendapatkan kemurnian dan kesempurnaan dari kristal
tunggal dari semikonduktor yang dipergunakan dalam pembuatan alat-alat
tersebut.
Aplikasi bahan semikonduktor :
1. Transistror
2. Dioda
3. Sel surya
4. Mikroposesor
1. TRANSISTOR
APA ITU
TRANSISTO
R?
Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, pemotong
(switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya
Jenis-jenis transistor
PNP
E
B
NPN
C
B
C
E
Gambar transistor
Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyak
kategori:
Materi semikonduktor : Germanium, Silikon, Gallium Arsenide.
Kemasan fisik : Through Hole Metal, Through Hole Pllastic, Surface
Mount, IC, dan lain-lain.
Tipe : UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET,
VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain.
Polaritas : NPN atau N-channel, PNP atau P-channel.
Maximum kapasitas daya : Low Power, Medium Power, High Power.
Maximum frekuensi kerja : Low, Medium, atau High Frekuency, RF
transistor, Microwave, dan lain-lain.
Aplikasi : Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan
lain-lain.
2. DIODA
APA ITU
DIODA
Sebuah dioda berfungsi sebagai versi elektronik dari katup searah.
Dengan membatasi arah pergerakan muatan listrik, dioda hanya
mengijinkan arus listrik untuk mengalir ke satu arah saja dan
menghalangi aliran ke arah lain.
Jenis-jenis dioda :
1. Dioda Cahaya
Sensor
2. Dioda Zener
Dioda Zener memiliki sifat yang sama dengan dioda
biasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat untuk
dipakai dengan tegangan rusak yang dikurangi,
disebut tegangan Zene
3. Dioda Foto
Dioda foto adalah komponen elektronik
dan juga salah satu jenis fotodetektor.
Hubungan p-n dari diode ini dibuat
sensitive terhadap cahaya.
4. Dioda Laser
Dioda laser adalah sejenis laser di mana media aktifnya sebuah
semikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapat
pada dioda pemancar cahaya. Dioda laser kadang juga disingkat LD
atau ILD.
Contoh alat elektronik dari aplikasi dioda laser
3. Sel Surya
APA ITU
SEL SURYA
Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang
terdiri dari sebuah wilayah besar dioda p-n junction, di mana dalam
hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna.
Contoh alat elektronik dari aplikasi sel surya
4. MIKROPOSESOR
APA ITU
MIKROPOSESOR
Sebuah mikroprosesor (disingkat µP) dalah sebuah central processing unit
(CPU) elektronik computer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit
lainnya di atas sebuah sirkuit terintegrasi semikonduktor.
Contoh alat elektronik dari aplikasi mikroprosesor
MATERI :
8.1.Kristal semikonduktor intrinsik.
8.1.1.teknik pengukuran celah energi.
8.1.2.massa efektif
8.1.3.lima alasan hole dianggap sebagai partikel
bermuatan positif.
8.1.4.konsentrasi elektron
8.1.5.konsentrasi hole.
8.2.Kristal semikonduktor ekstrinsik.
8.2.1. tingkat energi donor
8.2.2. tingkat energi akseptor
8.2.3. konsentrasi elektron
8.2.4.konsentrasi hole.
INDIKATOR
Mahasiswa harus dapat :
 menjelaskan teknik pengukuran celah energi.
 menjelaskan arti fisis dari massa effektif.
 menjelaskan 5 alasan mengapa hole dapat
dianggap sebagai partikel bermuatan positif.
 menghitung konsentrasi elektron/hole dalam
semikonduktor intrinsik.
 menentukan tingkat energi atom-atom
donor/akseptor
 menghitung konsentrasi elektron/hole dalam
semikonduktor ekstrinsik.