TEORI SEMIKONDUKTOR

TEORI SEMIKONDUKTOR Bahan semikonduktor merupakan bahan yang dipakai dalam pembuatan komponen elektronika seperti resistor, dioda, transistor, kapasitor, dan lain sebagainya. Antara bahan yang satu dengan yang lainnya mempunyai sifat dasar dan karakteristik yang berbeda. Sebelum mulai mempelajari komponen elektronika terlebih dahulu akan dipelajari tentang sifat dasar bahan semikonduktor sebagai berikut.

A. STRUKTUR ATOM BAHAN SEMIKONDUKTOR Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-273C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektronelektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur. Susunan elektron pada beberapa atom: NAMA UNSUR LINGKARAN ORBIT JUMLAH ELEKTRON ELEKTRON VALENSI KLMNOPQ born alumunium silikon fosfor galium germanium arsenikum indium antimon barium 2 3 - - - - - --- 5 3 2 8 3 - - - - -- 13 3 2 8 4 - - - - --- 14 4 2 8 5 - - - - --- 15 5 2 8 18 3 - - - - 31 3 2 8 18 4 - - - -- 32 4 2 8 18 5 - - - -- 33 5 2 8 18 18 3 - - 2 8 18 18 5 - - 2 8 18 18 8 2 - -

49 3 51 5 56 2

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi. Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar

pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik. B. SEMIKONDUKTOR INTRINSIK DAN EKSTRINSIK Suatu kristal Silikon yang murni, dimana setiap atomnya adalah atom Silikon saja, disebut sebagai semikonduktor intrinsik. Untuk kebanyakan aplikasi, tidak terdapat pasangan elektron-hole yang cukup banyak didalam suatu semikonduktor intrinsik untuk dapat menghasilkan arus yang berguna. Doping adalah penambahan atom-atom impuritas pada suatu kristal untuk menambah jumlah elektron maupun hole. Suatu kristal yang telah di-dop disebut semikonduktor ekstrinsik. Untuk memperoleh tambahan elektron pada jalur konduksi, diperlukan atom pentavalent. Atom pentavalen ini juga disebut sebagai atom donor. Setelah membentuk ikatan kovalen dengan tetangganya, atom pentavalen ini mempunyai kelebihan sebuah elektron, yang dapat beredar pula pada jalur konduksi, seperti pada Gambar 9. Sehingga terbentuk jumlah elektron yang cukup banyak dan jumlah hole yang sedikit. Keadaan ini diistilahkan dengan elektron sebagai pembawa mayoritas dan hole sebagai pembawa minoritas. Semikonduktor yang di-doping seperti ini disebut dengan semikonduktor type-n.

Gambar. Ikatan Kovalen Silicon Dalam Dua Dimensi

Semikonduktor N Tipe-N Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron

membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. Semikonduktor jenis-n jika bertemu pengotor dari golongan VA, electron sebagai pembawa mayoritas. Ada electron donor yang dekat dengan pita konduksi (di bawah sedikit). Gambar 9. Semikonduktor type - N

Demikian pula jika semikonduktor di-doping bahan trivalent, atau atom akseptor, akan terbentuk jumlah hole pada jalur valensi yang banyak. Maka, akan terbentuk keadaan dimana hole menjadi pembawa mayoritas dan elektron menjadi pembawa minoritas. Semikonduktor ini disebut semikonduktor type-p. Gambar 10. memperlihatkan struktur semikonduktor type-p dengan akseptornya Semikondukto P Tipe - P Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-P. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan

trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p. Semikonduktor jenis-p jika bertemu pengotor dari golongan IIIA, lubang sebagai pembawa mayoritas. Ada lubang akseptor yang dekat (di atas sedikit) dari pita valensi.

Gambar 10. Semikonduktor type P

C. SIFAT KONDUKTOR, ISOLATOR, DAN SEMIKONDUKTOR PADA PEMBUATAN KOMPONEN ELEKTRONIKA Konduktor adalah bahan yang konduktivitasnya tinggi sehingga dapat mengalirkan listrik dengan baik. Konduktor sering disebut dengan penghantar karena dapat menghantarkan arus listrik. Contoh, tembaga, seng, alumunium, baja, dsb. Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik karena konduktivitasnya rendah. Contoh, plastik, kayu kering, karet, kain, dll. Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll. Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu: 1. jalur valensi Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan ato-atom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi. 2. jalur konduksi Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik. 3. jalur larangan Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi

Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahanbahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.

D. ARUS PADA SEMIKONDUKTOR Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi. Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik. Arus difusi adalah arus yang tidak disebabkan oleh adanya perbedaan tegangan, melainkan akibat gerak random dari pertikel-partikel bermuatan yang disebabkan oleh energi panas. Contohnya adalah elektron mengalir dari suatu tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai dicapainya suatu keseimbangan.

E. DOPING Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. Energy yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silicon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperature ruang (300K), sejumlah electron mempunyai energy yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi electron bebas. Besarnya enrgi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energy terlarang (energy gap). Jika sebuah ikitan kovalen terputus,maka akan terjadi kekosongan lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebaas mempunyai kelebihan muatan negative. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi

lubang tersebut maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positf bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru. Posted 29th January by Situs Resmi Erza Diego

1. 6 BAHAN SEMIKONDUKTOR6.1 Semikonduktor Intrinsik (murni)Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator. Gambar 6.1 Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari54 ELEKTRONIKA DASAR 2. ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektronbebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru. (a) E B C F G H A I ST)GCHCFPQGRPQ2!"#$ % (b) 0 1 " # ( # ( ! $ & 3 4 5 6 7 8 U V 9 @ A B C DGambar 6.2 a) Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus dan b) Diagram pita energi menunjukkan tereksitasinya elektron ke pita konduksi dan meninggalkan lubang di pita valensi Bahan Semikonduktor 55 3. Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arus drift dapat dituliskansebagai berikut Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrikAkibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai: J = (n n + p p )q = (6.1)dimana n dan p = konnsentrasi elektron dan lubang (m-3) n dan p = mobilitas elektron dan lubang (m2 V-1 s-1) = (n n + p p ) q = konduktivitas (S cm-1) Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron atau dituliskansebagai n = p = ni (6.2)dimana n i disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dangermanium diperlihatkan pada tabel 6.1.Tabel 6.1 Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K Properti Silikon GermaniumEnergi terlarang/gap (eV) 1,1 0,67Mobilitas elektron, n ( m 2 V 1s 1 ) 0,135 0,39Mobilitas lubang, p ( m 2 V 1s 1 ) 0,048 0,19Konsentrasi intrinsik, n i ( m 3 ) 1,5 1016 2,4 1019Resistivitas intrinsik, i ( m) 2300 0,46 W56 ELEKTRONIKA DASAR 4. 6.2 Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar6.3). Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkanpada tabel 6.3.Tabel 6.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodik6.2.1 Semikonduktor tipe-nSemikonduktor tipe-n

dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memilikimuatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikondalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektronbebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor Bahan Semikonduktor 57 5. memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secaraskematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 6.3. (a) t u v w x y x u n o k m f g f h i j (b) d d e X Y ` a b ` c ` d k l e f g h i h p q r s fGambar 6.3 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.6.2.2 Semikonduktor tipe-pDengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa58 ELEKTRONIKA DASAR 6. sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkanseperti terlihat pada gambar 6.4. (a) y z { | } ~ } z (b) p q r s t s u v w x qGambar 6.4 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor. Bahan Semikonduktor 59 7. 6.3 Generasi dan RekombinasiProses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur Tdinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistikmenunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengan e eVG / kT . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggimaka laju generasi termal akan tinggi. Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya Rakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor

tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangattinggi. Secara umum dapat dituliskan: R = rn p (6.3)dimana r menyatakan konstanta proporsionalitas bahan. Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi. Pada semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlaku g = g i = Ri = r n i p i = r n i2 (6.4)atau n p = n i2 (6.5)atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.60 ELEKTRONIKA DASAR 8. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donor ND>> ni, dengan konsentrasi elektron sebesar nn N D (6.6)Dengan demikian konsentrasi lubang akan menjadi mengecil, yaitu sebesar ni2 n2 pn = i (6.7) nn N DDengan cara yang sama pada semikonduktor tipe-p berlaku n i2 pp N A dan np (6.8) NAdimana pp = konsentrasi lubang pada tipe-p np = konsentrasi elektron pada tipe-p NA = konsentrasi atom aseptor6.4 DifusiJika konsentrasi doping tidak merata (nonuniform) maka akan didapat konsentrasipartikel yang bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadimekanisme gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partiketharus random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron padasalah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan elektronbergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi yang lebih padatke sisi yang kurang padat. Gerakan muatan ini menghasilkan arus difusi yangbesamya sebanding dengan gradien konsentrasi dn/dx. Kerapatan arus difusi karenaaliran elektron diberikan oleh Bahan Semikonduktor 61 9. dn J n = qDn (6.9) dxdimana Dn = konstanta difusi untuk elektron (m2s-1). Jika dn/dx berharga positif,gerakan elektron pada arah -x menghasilkan arus positif pada arah +x. Dengan carayang sama untuk lubang diperoleh dp J p = qD p (6.10) dx Perlu dicatat bahwa masing-masing partikel yang bermuatan bergerak menjauhibagian yang mempunyai konsentrasi lebih tinggi, namun gerakan tersebut bukan karenaadanya gaya tolak. Seperti halnya pada mobilitas, difusi merupakan penomena statistiksehingga berlaku persamaan Einstein n p q = = (6.11) Dn D p kT62 ELEKTRONIKA DASAR

/9

Bab 6-bahan-semikonduktor Document Transcript

1. 6 BAHAN SEMIKONDUKTOR6.1 Semikonduktor Intrinsik (murni)Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator. Gambar 6.1 Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk Terms of Use

http://www.slideshare.net/syihabikbal/bab-6bahansemikonduktor
+ Follow

Bab 6-bahan-semikonduktor
by Syihab Ikbal on Apr 04, 2012