Semoga bermanfaat...

1. Disusun oleh:
Verta Asi M.
Andri
Tukananto
15 mei 2013
1

2. 2
SEMIKONDUKTOR
 Perkembangan
elektronika telah membawa aplikasi
yang sangat luas. Pesatnya kemajuan
telekomunikkasi, komputer, kontrol industri dan
perlengkapan elektronik runah tangga sangat
dipengaruhi oleh kemajuan teknologi elektronika.
Material semikonduktor memegang peranan penting
karena mayoritas devais elektronika terbuat dari
semikonduktor.

3. SEMIKONDUKTOR
INTRINSIK
3


4. 4
Garis mewakili elektron
valensi bersama untuk
ikatan kovalen
Atom semikonduktor
misal Si
Gambar 1. Ikatan kovalen dalam material semikonduktor

5. 5
 Meskipun
semikonduktor intrinsik berasal dari
gonlongan IV, namun dalam aplikasinya dilakukan
pencampuran dengan atom dari golongan lain. Dalam
diagram periodik posisi atom-atom yang mungkin
dipakai dalam teknologi semikonduktor adalah sebagai
berikut.

6. 6
II
III
IV
V
VI
4
5
6
7
8
12
13
Zn
48
31
32
Ga
49
81
80
Hg
TI
33
Se
52
51
Sb
Te
84
83
Pb
S
34
As
Sn
82
16
P
Ge
50
In
Cd
15
Si
Al
Mg
30
14
O
N
C
B
Be
Bi
Po
Gambar 2. atom-atom yang terkait dengan
semikonduktor

7. 7

Sejauh ini semikonduktor yang paling banyak mendominasi aplikasi
adalah silikon. Atom-atom golongan III dan V yang mengapit atomatom golongan IV (seperti Si dan Ge) sangat penting dalam aplikasi
semikonduktor yaitu sebagai bahan dopant untuk meninggikan
konsentrasi pembawa muatan. Selain unsur tunggal, kombinasi dari
elemen beberapa golongan juga dapat membentuk semikonduktor.
Sebagai contoh Zinc Oxide (ZnO) mempunyai karakteristik non linier
yang banyak diaplikasi sebagai arrester. GaAs mempunyai sifat-sifat
transportasi elektron dan sifat optik yang sangat baik. Aplikasi GaAs
sangat luas sejak dari dioda laser hingga IC (intedrated circuit)
dengan kecepatan tinggi. Sifat-sifat Si, Ge dan GaAs pada
temperatur 300 K ditampilkan pada tabel berikut:

8. 8
Tabel 1.Sifat-sifat Si, Ge dan GaAS pada temperatur 300K
Si
Energi Gap (eV)
Ge
GaAs
1,1
0,66
1,42
1350
3900
8500
450
1900
400
11,9
16
13,1
Kerapatan state pita konduksi,Nc (/cm³)
Kerapatan state pita konduksiNv (/cm³)
Kerapatanpembawamuatanintrinsik,
ni(/cm³)

9. 9

Meskipun jumlah material semikonduktor dalam bentuk
campuran sangat banyak namun dalam aplikasinya jauh
lebih sedikit dibanding kemungkinan-kemungkinan kombinasi
dari unsur-unsur yang ada. Sudahb barang tentu kombinasi
beberapa unsur dapat muncul bila para peneliti mencoba dan
meneliti sifat-sifat kombinasi baru tersebut. Sebagai
gambaran klasfisikasi material semikonduktor dalam bentuk
elemen, campuran dan alloy dari elemen-elemen dapat
dilihat pada tabel berikut:

10. 10
Tabel 2. Elemen dan Campuran Semikonduktor

11. 11
Elektron dan Hole

State yang kosong pada semikonduktor intrinsik adalah pada pita konduksi
(conduction band, CB). Sesuatu elektron yang berada pada pita valensi dapat
memperoleh tambahan energi dan masuk ke pita konduksi. Besar energi minium
yang diperlukan adalah sebesar energi gap (Eg). Energi ini dapat diperoleh dengan
menyerap energi dari photon atau energi thermal atau energi dari medan listrik.
Kosong
Penuh
a. Tanpa pembawa muatan

12. 12
e
b. Elektron sebagai pembawa muatan
c. Hole sebagai pembawa muatan
Gambar 3. Elektron dan Hole sebagai pembawa muatan

13. 13

Pada saat suatu elektron berpindah dari pita valensi ke pita
konduksi maka pada pita valensi akan muncul daerah kosong yang
akan menjadi pembawa muatan positif yaitu hole. Dengan demikian
dalam semikonduktor intrinsik akan ditemukan pasangan elektron
hole. Setiap kejadian pemunculan elektron konduksi akan muncul
pula hole pada pita valensi. Dengan demikian kedua pembawa
muatan yaitu elektron dan hole akan mempunyai konsentrasi yamg
sama pada semikonduktor intrinsik. Hal ini diilustrasikan pada
gambar 4.

Energi gap semikonduktor relatif kecil yaitu muddengpat pada suhu
kamar sebesar 1.12 eV untuk Si, 0.66 eV umtuk Ge dan 1.42 eV
untuk GaAs. Energi sebesar ini dapat dengan mudah diperoleh dari
energi photon atau energi thermal.

14. 14
Photon mengeksitasi
Photon pemutus ikatan atom
dGambar 4. Diagram pemunculan pasangan elektron dan hole

15. 15
 Peristiwa
sebaliknya juga dapat terjadi. Yaitu bila suatu
elektron kehilangan energi dala bentuk pancaran Photon
dan bertemu dengan hole. Peristiwa ini disebut dengan
rekombinasi. Pada saat rekombinasi terjadi maka
hilanglah suatu pasangan elektron-hole sebagai
pembawa muatan dalam semikonduktor intrinsik. Sudah
barang tentu hal ini akan mengurangi konduktivitas
material.

16. 16
Konduksi pada Semikonduktor
Instrinsik


17. 17


18. 18
Gambar 5. : a. Diagram pita energi b. Kerapatan state c. Distribusi
Fermi-Dirac d. Kerapatan pembawa muatan

19. 19


20. 20


21. 21
Gambar 6. Konsentrasi pembawa muatan pada Ge,
Si, dan GaAs sebagai fungsi dari Temperatur

22. 22


23. 23
Semikonduktor Ekstrinsik

Untuk mendapatkan tingkat konduktivitas tertentu, ke dalam S.K intrinsik dapat
ditambahkan ketidakmurnian yaitu atom dari selain IV untuk menambah
pembawa muatan. Penambah atom demikian disebut DOPPING.
Semikonduktor yang dihasilkan disebut dengan semikonduktor ekstrinsik.

Penambahan atom golongan V ke S.K intrinsik akan menghasilkan S.K
ekstrinsik dengan pembawa muatan elektron (disebut S.K tipe n). Atom
golongan V yang ditambahkan akan membuat ikatan kovalen dengan atom
semikonduktor intrinsik dengan 4 elektron valensinya. Senuah elektron valensi
sisanya akan menjadi pembawa muatan. Karena atom golongan V bersifat
memberikan satu elektron pembawa muatan maka disebut dengan atom donor.
Dengan demikian pembawa muatan dominan/mayoritas adalah elektron dan
disebut dengan semikonduktor tipe n, contohnya Si atau Ge didop dengan P, As
atau Sb.

24. 24

Hal sebaliknya bila semikonduktor intrinsik didop dengan atom
golongan III. Penambahan atom golongan II (disebut akseptor) ke
dalam S.K intrinsik akan menghasilkan S.K ekstrinsik dengan
pembawa muatan mayoritas hole (disebut S.K tipe p). Hal ini
terjadi karena ikatan kovalen antara atom akseptor dan atom
semikonduktor intrinsik kekurangan sat elektron. Sebagai
contohnya Si atau Ge didop dengan B,Al,Ga atau In.
-
Gambar 8. Visualisasi doping dari
semikonduktor
a. Doping dengan atom golongan V (P)
b. Doping dengan atomggolongan III (B)

25. 25

Gambar 9. a.Doping Si dengan atom As
b. diagram pita energi

26. 26

Atom golongan III yang diberikan ke dalam semikonduktor intrinsik
disebut dengan akseptor karena kekurangan satu elektron untuk
dapat melakukan ikatan kovalen dengan atom semikonduktor
intrinsik. Semikonduktor yang diperoleh adalah jenis ekstrinsik tipe
p. Pembawa muatan mayoritas adalah hole yang bermuatan positif.
Sebagai contoh didop dengan B seperti pada gambar berikut.
Karena B hanya memiliki 3 elektron,
maka untuk berikatan kovalen dengan
atom Si ada kekurangan satu elektron
yang berakibat dengan hadirnya hole
Gambar 10. Doping Si dengan B
a. Atom B diantara atom Si
b.Diagram pita energi

27. 27

Dopant
Energi (eV)
P
0.054
0.039
B
Akseptor
As
Sb
Donor
0.045
0.045
Al
0.057
Ga
0.072

28. 28


29. 5.3 PENGARUH
TEMPERATUR

29
Pembahasan yang telah dilakukan adalah menghitung konduktivitas
semikonduktor dengan asumsi bahwa kerapatan pembawa muatan
sama dengan kerapatan doping yaitu untuk tipe n sama dengan
kerapat donor dan untuk tipe p sama dengan kerapatan akseptor.
Asumsi lain adalah tingkat doping lebih tinggi dari kerapatan
intrinsik. Kondisi demikian ternyata hanya berlaku untuk temperatur
dalam range terbatas.

Konduktivitas semikonduktor depengaruhi oleh temperatur dengan
dua cara yaitu:

Perubahan konsentrasi akibat perubahan temperatur

Perubahan mobilitas pebawa muatan akibat perubahan temperatur

30. 30

Sebagai ilustrasi pandang suatau semikonduktor tipe n dengan tingkat
doping Nd >> ni. Pada temperatur sangat rendah atom-atom donor tidak
dapat terionisasi karena energi termal tidak mencukupi. Dengan demikian
fungsi doping dari atom-atom donor tidak tercapai. Bila temperatur
dinaikkan maka energi telermal juga naik, beberapa atom donor
mendonorkan elektron ke pita konduksi seperti pada gambar (a)
Gambar 5. perubahan konsentrasi pembawa muatan akibat
kenaikan temperatur.

31. 31


32. 32

Secara diagramatik hubungan antara kerapatan pembawa muatan
dan temperatur dilukiskan pada gambar berikut
Pada temperatur tinggi getaran kisi-kisi atom dapat
menurunkan jarak bebas sehingga menurunkan
mobilitas. Hasilnya ditunjukkan pada gambar.
Gambar 12. Hubungan antara 1/T dan ln
(n)
Gambar 13. Plot Logaritmik dari mobilitas elektron sebagi
fungsi dari temperatur

33. 33
Gambar 14. Konduktivitas sebagai fungsi dari Gambar 15. Konduktivitas semikonduktor dan
temperatur (skala log)
logam sebagai fungsi dari temperatur

34. 34
DIFUSI DAN KONSUKSI


35. 35

Persamaan terakhir ini disebut
dengan hukum fick
Gambar 16. Profil Konsentrasi elektron dengan
kejadian difusi

36. 36
LUMINESCENCE
 Luminescence
adalah Emisi cahaya/photon yang terjadi
pada saat rekombinasi.
 Proses
rekombinasi biasanya berlangsung cepat dalam
orde nano sekon. Luminescence demikian disebut
flourescence.
 Dalam
elektroLuminescence tegangan/arus ac/dc yang
dipakai untuk mengeksitasi elektron ke pita konduksi.
Elektron kemudia berekombinasi dengan hole
menghasilkan emisi.

37. 37
PRINSIP DIVAIS ELEKTRONIKA
P-N Junction (sambungan p-n)

Bila semikonduktor tipe p dan tipe n disambungkan maka pada
daerah sambungan akan muncul karakteristik tertentu. Sambungan
demikian diaplikasikan misalnya pada dioda untuk penyearah.
Gambar 17. Profil doping p-n
junction

38. 38
Gambar 18. Diagram pita p-n junction
a. Sebelum kontak
b. Kontak berati Fermi level menjadi satu
c. Setelah, terjadi deplesi dekat junction

39. 39
 Terjadi
daerah deplesi akan menyebabkan potensial
(Vbi). Potensial ini diturunkan dari kenyataan bahwa
energi potensial adalah PE= -qV sedangkan PE adalah
selisih level konduksi dan level yang dijadikan referensi
jadi PE=Ec-Eref; sehingga V=-1/q(Ec-Eref)
 Dengan
demikian bila profil pita energi diketahui maka
profil tegangan daerah derpresi juga dapat ditentukan.

40. 40
Terjadiny
daerah
deplesi
menyebabkan
potensial
Potensial
diturunkan
ini
akan
(Vbi).
dari
kenyataan bahwa energi potensial
adalah PE= -qV sedangkan PE
adalah selisih level konduksi dan
level yang dijadikan referensi jadi
PE=Ec-Eref;
sehingga V=-1/q(Ec-
Eref).
Dengan demikian bila profil pita
energi
diketahui
maka
profil
tegangan daerah derpresi juga dapat
Gambar 19. profil a. diagram pita energi;
b. V;c.E, dan ; d.sebagai fungsi dari x. ditentukan.

41. Dioda p-n Junction

41
P-n junction digunakan pada dioda. Distribusi pembawa muatan
yang berbeda pada daerah p dan n menyebabkan efek penyearah
pada dioda. Secara mikroskopik dijelaskan pada diagram berikut.
Gambar 20. a. diagram energi p-n
junction dan b. bias maju

42. 42
Gambar 21. Karakteristik V-I

43. 43
Sambungan antara logam dan semikonduktor

Bila logam dan semikonduktor dihubungkan (misalnya tipe n) maka
diagram pita energi dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 22. diagram pita energi metalsemikonduktor tipe n

44. 44

Gambar 23. a. diagram Schotty junction bias maju b. bias
mundur

45. 45
SEKIAN DAN TERIMAKASIH
SEKIAN DAN TERIMAKASIH
SEKIAN DAN TERIMAKASIH
SEKIAN DAN TERIMAKASIH