Teori Semikonduktor-teori Dioda - Repository UNIKOM

  TK – 33205 ELEKTRONIKA DASAR

  _{FAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KOMPUTER} UNIVERSITAS KOMPUTER INDONESIA Bahan Semikonduktor

JURUSAN TEKNIK KOMPUTER

  Jumat 10 Mei 2019 ² TEORI SEMIKONDUKTOR

  PENDAHULUAN

_{yang kerjanya berdasarkan aliran elektron di dalam ruang hampa}

^{Elektronika : ilmu yang mempelajari sifat dan pemakaian devais}

• atau gas serta hole (lubang) di dalam semikonduktor.
• Aplikasinya pada Televisi (TV), radio, komputer,

  instrumentasi, alat kendali, dan peralatan komunikasi

  lainnya.
• Dasar-dasar SK:

  1. Teori atom

  2. SK Intrinsik

  3. SK Ekstrinsik

  4. Konduksi dalam SK

  

5. Perubahan tegangan pada SK dengan doping tidak

merata

1. Teori Atom

  Proton (Q+) Inti Atom mengitari atom Neutron (Q=nol)

  Atom Elektron (Q -)

• 19

  Q =Q =1,6.10 C _{e p}

• Model dasar atom menurut BOHR :

  “ Elektron mengelilingi inti atom pada orbitnya masing – masing”

• Kulit terluar Atom disebut : kulit valensi, dapat berisi hingga 8 elektron (8e)
• Konduktivitas atom tergantung pada jumlah electron pada kulit valensi:

  a. Jika atom punya 1 elektron valensi (1 eV)……mendekati konduktor sempurna b. Jika atom punya 8 elektron valensi (8 eV)…….kulit valensi lengkap dan atomnya isolator Jadi konduktivitas turun dengan bertambahnya eV ( elektron

TIGA JENIS BAHAN

• Konduktor  Isolator  Semikonduktor :

  1. Germanium

  2. Silikon

  STRUKTUR ATOM GERMANIUM Inti atom dengan 32 proton

• _{- - - - -} Orbit pertama : 2 elektron
• _{- - -}
• _- ^- Orbit kedua : 8 elektron Orbit ketiga : 18 elektron
• _{- -} Orbit terluar : 4 elektron
• _{- - - - - - - - +32 - -}
• - -
• _{- -}
• _- Elektron bebas
• ^{- -} Elektron valensi
• _{- -} Valensi 4  Semikonduktor

STRUKTUR ATOM SILIKON

• _- Inti atom dengan 14 proton Orbit pertama : 2 elektron
• _{- -} ^- Orbit kedua : 8 elektron Orbit terluar : 4 elektron
• - - - -
• ^{- - +14- -}
• _- Elektron Valensi Elektron bebas
• _- Valensi 4  Semikonduktor
• Semikonduktor : suatu atom yang berisi 4 elektron valensi

  (4 eV). Jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor antara konduktor dan isolator, maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik.

• Bahan–bahan semikonduktor : Carbon (C) dengan 6

  proton (2-4), Silikon (Si) dengan 14 proton (2-8-4), dan Germanium (Ge) dengan 32 proton (2-8-18-4)

• Silikon (Si) dan germanium (Ge) untuk membuat komponen zat padat
• Carbon (C) untuk membuat resistor dan potensiometer

  6 p (2- ₄₎ ^{14 p (2-8-4)} K _L ^K _{L M}

  

Dasar Semikonduktor

  _{1. Elektron pada kulit orbit tidak dapat berada pada ruang antara 2 kulit} Hukum–hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit : _{2. Setiap kulit orbit sesuai dengan suatu energi. Semua elektron pada} orbit _{energi paling tinggi. akan naik jika jauh dari inti. Jadi elektron valensi mempunyai jumlah} kulit orbit yang sama mempunyai energi yang sama. Jumlah energi

  3. Elekton yang meloncat dari kulit ke kulit maka elektron harus _{enegi awal dan akhir. menyerap energi untuk mengatasi perbedaan energi antara jumlah}

4. Bila no 3 terpenuhi maka elektron dapat melepas energi yang diserap dan kembali ke kulit yang berenergi rendah.

  Celah energi adalah ruang antara setiap dua kulit orbit.

  Elektron melewati celah energi dan tidak dapat berada di dalam celah energi, pada gambar diatas elektron harus menyerap energi 1,1 eV (elektron valensi).

KRISTAL SILIKON

  8 elektron valensi stabil isolator ikatan valensi

  25 ^o C ? temperatur > 0 ^o K = - 273 ^o C elektron bebas hole atom bergetar

  25 ^o C kristal murni

  PENGARUH TEMPERATUR

• rekombinasi

2. SemiKonduktor Intrinsik

• Pada temperatur tinggi, elektron keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas dan terbentuk hole (lubang)
bidang _{elektron bebas} E E _{c konduksi c} bidang celah

  E _{g energi} E E _{v bidang valensi} v _hole

  Bidang energi kristal Pada temperatur tinggi (x-tal) 0 K

• Jika temperatur kristal dinaikkan sehingga elektron valensi yang energi termal melebihi maka elektron meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas.

  _{bermuatan Q (+) kaena kristal harus netral. Kekosongan itu disebut} ^{Kekosongan pada ikatan kovalen elektron keluar harus}

• hole atau lubang.

  a). 1 2 3 4 5 ion ke 2 mengisi hole pada ion ke 1

  b). 1 2 3 4 5 ion ke 3 mengisi hole pada ion ke 2

  

c). 1 2 3 4 5 ion ke 4 mengisi hole pada ion ke 3 dan seterusnya

_{arah aliran hole} arah aliran elektron
• Jadi semikonduktor intrinsik pada K bersifat isolator dan pada temperatur tinggi bersifat konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan hole yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan Q.

  

Semikonduktor Intrinsik

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK (MURNI)

  A F C D B E 2 pembawa muatan -

• - - - - - - - - - -

   elektron bebas + lubang (hole)

• - _{+ + + + + + + + + +}

3. SK Ekstrinsik

  _{5 atau 3 disebut semikonduktor ekstrinsik, untuk menyusun} ^{dilakukan doping dengan memasukan atom asing bervalensi}

• _{hole atau elektron saja.} devais elektronik yang kaya akan satu jenis pembawa muatan :

  

Semikonduktor jenis n

Dengan doping atom asing bervalensi 5 sebagai atom donor karena ikatan kovalen memberikan satu elektron : P (fosfor), Ar (arsen), Sb(antimon) ke dalam semikonduktir intrinsik. Dengan menambahkan energi kecil pada elektron valensi, maka elektron masuk ke bidang konduksi.

  Dengan penambahan atom donor terjadilah elektron bebas disebut jenis-n. Beda semikonduktor intrinsik dengan semikonduktor jenis-n

• Semikonduktor intrinsik, elektron bebas di sertai hole bergerak sebagai pembawa muatan.

• •Semikonduktor jenis-n berbentuk elektron bebas, tidak

  disertai hole tetapi ion (+) yang tidak dapat bergerak.

  

Semikonduktor jenis p

Dengan doping atom asing bervalensi 3 sebagai atom akseptor karena ikatan kovalen memperoleh satu elektron : B (boron), Al (aluminium), dan Ga (Galium) kedalam semikonduktor intrinsik

  

Donor dan aseptor dalam tabel periodik

  SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE N Atom bervalensi lima - memberi 1 elektron elektron bebas > hole - atom donor mayoritas minoritas

  SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK TIPE P Atom bervalensi tiga - mengurangi 1 elektron elektron bebas < hole - atom akseptor minoritas mayoritas

  SEMIKONDUKTOR

• + + + + + + + +

  TIPE P

• + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
• _{+ + + + + + + + + +} - - - - - - - - - -

  SEMIKONDUKTOR TIPE N

4. Konduksi di dalam SemiKonduktor

  Partikel yang menghantarkan arus dalam semikonduktor adalah: elektron dan hole.

  Ada dua penghantar arus :

1. Arus difusi adalah

  suatu penghantar arus I di dalam semikonduktor karena tidak meratanya konsentrasi hole p partikel atau terjadi gradient konsentrasi

  2. Arus Drift adalah suatu partikel bermuatan dia dalam medan listrik (elektris) akan bergerak dibawah gaya F tarik dan tolak elektris. Idrift ~ Energi E.

  Jumlah kedua arus disebut arus total.

  

Arus Semikonduktor

  

Arus Semikonduktor

  

Elektron dan Hole

DIODA TANPA PRATEGANGAN

  Tipe n

  (Unbiased Diode) Tipe p

  Dipole Difusi elektron ke tipe p

  pn junction Elektron tolak-menolak Rekombinasi

  Depletion layer

Dipole Medan listrik Barrier potensial

>

PRATEGANGAN MAJU (FORWARD BIAS)

  p n elektron bebas elektron valensi

>

PRATEGANGAN BALIK (REVERSE BIAS)

  p n hole elektron

>
>
>
>

  Anoda Katoda Pendekatan pertama (ideal) Pendekatan kedua Pendekatan ketiga

  SIMBOL DIODA K A

• Komponen dengan dua elektroda (terminal)

• Hanya dapat mengalirkan arus ke satu arah saja

• Model dioda :

  DIODA IDEAL forward bias

  V _D

  I _D

  V _D = V _A - V _K reverse bias

  V _D sembarang

  I _D = 0

  I _D sembarang

  V _D = 0

  D

  IODA Lambang dioda : p n ^{ANODA KATODA}

  Karakteristik dioda :

  V _S ^V _D ^R REVERSE _REGION ^{FORWARD REGION BREAKDOWN LEAKAGE CURRENT KNEE I V}

  Pendekatan dioda : _IDEAL REVERSE BIAS ^{V I} FORWARD BIAS ^{PENDEKATAN KE - 2 REVERSE BIAS O,7 V V I FORWARD BIAS PENDEKATAN KE - 3 REVERSE BIAS O,7 V r B V I FORWARD BIAS}

  Latihan Soal _{dengan suhu 3000 K bila resitivitas 0,02 Ω.cm dan mobilitas hole (µp) 1800} 1). Hitunglah konsentrasi hole dan elektron didalam germanium (Ge) tipe-p _{2). Sama dengan no.1 tetapi untuk silikon (Si) tipe-n bila resitivitasnya 20} cm2 /volt .dtk _{3). SK doping berundak dimana konsentrasi atom donor = 102 konsentrasi} Ω.cm dan mobilitas elektron silikon (µn) 1300 cm2 /volt. detik _{Ge. Hitunglah potensial kontak Vo pada suhu 300oK jika diketahui} atom akseptor, konsentrasi atom akseptor 1 atom akseptor per 108 atom _{= 2,5 x 1013 serta potensial VT = 0,0259 Volt. Konsentrasi atom akseptor} konsentrasi atom Ge 4,4 x 1028 atom⁄ m3 dan konsentrasi atom intrinsik = ni 10-8 konsentrasi atom Ge.

• Solusi pr :