Bab ini menjelaskan ttg bahan semikonduktor yang biasa dipergunakan dalam ilmu mekatronika.

1. BAB 3. SEMIKONDUKTOR
OLEH:
MUHAMMAD AGUS SAHBANA, ST., MT.

2. TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS
• Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan dapat:
1. Menerangkan pengertian semikonduktor
2. Menjelaskan prinsip kerja dioda dan transistor beserta jenis-jenis dan
penggunaannya
3. Menguraikan penggunaan dioda dan transistor pada sistem mekatronika

3. PENGANTAR
• Atom mempunyai lintasan elektron yang berlapis lapis. Untuk sub
kulit terluar dikenal terdapat dua macam tingkatan energi:
1. Pita valensi: elektron yang terdapat pada tingkat energi ini tidak
dapat bergerak dari suatu atom ke atom lain
2. Pita konduksi: elektron yang berada pada tingkat energi ini bebas
untuk bergerak dari satu atom ke atom lain.

5. TIPE MATERIAL
• Material
- Insulator: konduktivitas rendah, resistivitas tinggi. Sulit menghantarkan listrik.
Contoh: gelas, keramik, plastik
- Kondutor: konduktivitas tinggi, resistivitas rendah. Mudah menghantarkan listrik.
Contoh: tembaga, emas, perak
- Semikonduktor: konduktivitas, resisitivitas, dapat diatur. Dapat bersifat sebagai
kondutor maupun insulator
• Semikonduktor merupakan bahan untuk membuat transistor, dioda, termistor, dll
• Bahan semikonduktor yang terutama : Silikon (Si), Germanium (Ge)

6. PENGANTAR
• Logam mempunyai banyak elektron bebas pada pita
konduksi. Jika suatu medan listrik diberikan pada
logam maka elektron dapat berpindah dengan
mudah dari satu atom ke atom lain sehingga terjadi
arus listrik. Karena mudahnya arus mengalir maka
logam disebut sebagai konduktor.

7. KONDUKTOR
Material konduktor mempunyai elektron yang tidak
terikat kuat pada orbitnya. Energi yang kecil dapat
membuat elektron tersebut terlepas dan berpindah
dari satu atom ke atom lainnya

8. PENGANTAR
• Sebaliknya, terdapat material lain dimana elektron
terikat pada pita valensinya, sehingga walaupun
diberi medan listrik, elektron tetap tidak mudah
berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Material
yang sulit untuk meneruskan arus listrik disebut
sebagai insulator.

9. INSULATOR
Pada material insulator elektron terikat dengan kuat
sehingga dibutuhkan energi yang besar untuk
melepaskannya dari orbitnya

11. PENGANTAR
Diantara kedua jenis material tersebut, terdapat
material yang mempunyai karakteristik diantara
konduktor dan isolator, yang disebut sebagai
semikonduktor.

12. MATERIAL SEMIKONDUKTOR

13. SILIKON KRISTAL
Silikon mempunyai 4
elektron valensi pada
kulit terluar
Pada kristal atom
Silikon terikat secara
kovalen dengan atom
yang berdekatan
Setiap atom Silikon
membagi 4 elektron
valensinya dengan 4
atom yang berdekatan,
sehingga silikon
mempunyai 8 elektron
pada orbit terluarnya

14. ELEKTRON BEBAS
Pada temperatur
mutlak tidak ada
elektron bebas dalam
silikon kristal,
silikon bersifat
insulator
Elektron dapat
bergerak dan terlepas
dari orbit valensinya
menjadi elektron
bebas jika ada energi
untuk memutuskan
ikatan

15. LUBANG (HOLE)
Terlepasnya elektron
valensi akan
meninggalkan
kekosongan pada
orbit valensi.
Kekosongan tersebut
disebut lubang (hole)

16. LUBANG (HOLE)
Lubang bersifat
seperti muatan
positif karena akan
menarik dan
menangkap elektron
bebas
Apabila suatu
elektron mendekati
lubang dan tertarik
kedalamnya, maka
terjadi yang disebut
rekombinasi
(recombination)

17. PENAMBAHAN PANAS
Panas yang bertambah
akan memperbanyak
elektron bebas dan
lubang

18. JENIS SEMIKONDUKTOR
1. Semikonduktor Intrinsik (Intrinsic semiconductor)
- Semikonduktor Intrinsik adalah suatu semikonduktor murni
- Suatu kristal silikon adalah semikonduktor intrinsik apabila setiap
atom dalam kristal tersebut merupakan atom silikon
2. Semikonduktor Ektrinsik (Extrinsic semiconductor)

19. SEMIKONDUKTOR INTRINSIK
Jika kristal silikon
ditempatkan diantara
plat metalik yang
bermuatan, elektron
akan tertolak dan
bergerak ke kiri
Elektron bebas akan
meninggalkan lubang
yang kemudian akan
terisi oleh elektron
valensi lain yang
tertarik ke dalam
lubang

20. SEMIKONDUKTOR INTRINSIK
Semakin besar
panas, semakin kecil
resistansi, semakin
mudah aliran muatan

21. ALIRAN ELEKTRON DAN LUBANG
• Elektron bebas bergerak dari kanan ke kiri sedangkan lubang dari kiri ke
kanan
• Elektron bebas dan lubang dinamakan pembawa (carriers), karena membawa
muatan dari satu tempat ke tempat lainnya

22. DIODA
• Dioda adalah komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor.
• Dioda memiliki fungsi hanya mengalirkan arus satu arah saja.
• Struktur dioda adalah sambungan semikonduktor P dan N.
• Dioda biasanya terbuat dari bahan semikonduktor jenis germanium dan silikon.
• Simbol dan struktur dioda :

23. APLIKASI DIODA
1. Sebagai penyearah setengah gelombang
2. Sebagai penyearah gelombang penuh
3. Penyearah (Rectifier)
4. Pemotong (Clipper)/Pembatas (Limiter)
5. Penggenggam (Clamper)
6. Detektor Puncak (Peak Detector)

24. KARAKTERISTIK DIODA

25. KARAKTERISTIK DIODA
• Forward Bias (bias maju)
- Suatu keadaan dimana dioda dapat mengalirkan arus listrik dari sisi P (kaki
anoda) ke sisi N (kaki katode) tanpa adanya suatu hambatan.
- Pada keadaan ini dioda bisa dianggap sebagai saklar tertutup

26. KARAKTERISTIK DIODA
• Reverse Bias (Bias mundur)
 Suatu keadaan dimana tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke
N maupun sebaliknya, dikarenakan baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah
kutub berlawanan sehingga menyebabkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar
dan menghalangi terjadinya arus.
 Pada keadaan ini dioda bisa dianggap sebagai saklar terbuka

27. KARAKTERISTIK DIODA
• Tegangan Breakdown
 Suatu keadaan dimana dioda tidak dapat menahan aliran elektron di lapisan
deplesi yang disebabkan karena reverse bias pada dioda yang tidak dapat
mengalirkan arus pada tegangan puluhan sampai ratusan volt.
• Tegangan knee
 Tegangan pada saat arus mulai membesar dengan cepat dikarenakan
forward bias pada dioda yang dapat mengalirkan arus dengan mudah.
 Apabila tegangan dioda lebih besar dari tegangan knee maka dioda akan
menghantar dengan mudah dan sebaliknya bila tegangan dioda lebih kecil
maka dioda tidak menghantar dengan baik
 Tegangan dioda pada bahan silikon diatas 0,7 volt dan pada bahan
germanium diatas 0,3 volt.

28. MODEL DIODA
I. Pendekatan Pertama (dioda ideal)
• Pada keadaan forwar bias, dioda dianggap sebagai saklar tertutup karena hambatan pada dioda
dianggap bernilai nol.
• Pada keadaan reverse bias, dioda dianggap sebagai saklar terbuka karena hambatan pada dioda
dianggap bernilai tak hingga.

29. MODEL DIODA
II. Pendekatan Kedua
• Pada keadaan forwar bias, dioda dianggap sebagai sumber tegangan sebesar Vγ (Vγ untuk silikon =
0,7 volt atau 0,6 volt) dan (Vγ untuk germanium = 0,2 volt atau 0,3 volt).
• Pada keadaan reverse bias, dioda dianggap sebagai saklar terbuka karena hambatan pada dioda
dianggap bernilai tak hingga.

30. MODEL DIODA
II. Pendekatan Ketiga
• Pada keadaan forwar bias, dioda dianggap sebagai sumber tegangan sebesar Vγ (Vγ untuk silikon = 0,7 volt
atau 0,6 volt) dan (Vγ untuk germanium = 0,2 volt atau 0,3 volt) dengan resistansi forwrad rf yang terpasang
secara seri.
• Pada keadaan reverse bias, dioda dianggap sebagai resistansi reverse .

31. CONTOH SOAL

32. JENIS-JENIS DIODA
I.Dioda Zener
- Aktif pada saat reverse bias
- Simbol :
- Dioda zener tegangan yang telah ditentukan dalam pembuatannya.
- Toleransi dioda zener berkisar antara 5%-10%
- Dioda zener akan mengalirkan banyak arus listrik jika tegangan terlalu tinggi, dan mengurangi arus listrik jika
tegangan terlalu rendah sehingga menyebabkan tegangan stabil.

33. JENIS-JENIS DIODA
2. LED ( Light Emitting Diode)
 Merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya jika diberikan forward-bias.
 Warna yang dapat dikeluarkan adalah merah, biru, hijau, dll.
 Simbol :

34. BEBERAPA MATERIAL PEMBUAT WARNA PADA LED
1. aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - merah dan inframerah
2. gallium aluminium phosphide - hijau
3. gallium arsenide/phosphide (GaAsP) - merah, oranye-merah, oranye, dan kuning
4. gallium nitride (GaN) - hijau, hijau murni (atau hijau emerald), dan biru
5. gallium phosphide (GaP) - merah, kuning, dan hijau
6. zinc selenide (ZnSe) - biru
7. indium gallium nitride (InGaN) - hijau kebiruan dan biru
8. indium gallium aluminium phosphide - oranye-merah, oranye, kuning, dan hijau
9. silicon carbide (SiC) - biru
10. diamond (C) - ultraviolet
11. silicon (Si) - biru (dalam pengembangan)
12. sapphire (Al2O3) - biru

35.  tegangan maju pada:
 LED merah adalah 1,6 sampai 2,2 volt.
 LED kuning 2,4 volt
 LED hijau 2,7 volt.
 Sedangkan tegangan terbaik maksimum yang dibolehkan pada
 LED merah adalah 3 volt,
 LED kuning 5 volt
 LED hijau 5 volt.

36. 3. PHOTODIODA
• Dioda yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya.
• Digunakan sebagai sensor cahaya.
• Simbol :

37. TRANSITOR ADALAH….
• Transistor : suatu komponen elektronika yang terbuat dari material
semikonduktor yang mempunyai 3 terminal.
• Fungsi a.l:
- penguat
- switch
- pengatur tegangan

38. SEJARAH
• Menggantikan tabung hampa
• Tabung hampa: dimensi besar, berat, mudah
pecah, menghasilkan panas yang besar,
membutuhkan daya yang besar
• Transistor ditemukan oleh William Shockley
dkk dari Bell Telephone Laboratories pada
tahun 1947

39. BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
• Terbuat semikonduktor
yang mempunyai 3 daerah
yang didoping
- 2 daerah tipe n dan 1
daerah tipe p (npn)
- 2 daerah tipe p dan 1
daerah tipe n (pnp)
• Transisitor Bipolar: bekerja
dengan 2(bi) jenis muatan
yaitu elektron dan hole

40. NPN
• Dua daerah n masing-masing
dinamakan emitter (emitor) dan
collector (kolektor)
• Daerah p dinamakan base (basis)
• Emitter didoping berat (heavily
doped)
• Base sangat tipis dan didoping
ringan (light doped)
• Dibuat terminal untuk setiap
daerah
base
emitter
collector

41. NPN
• Terdiri dari 2 junction
- 1 antara emitter dan base
- 1 antara base dan collector
• Transistor serupa dengan 2 dioda
- emiiter diode
- collector diode

42. NPN
• Elektron bebas pada daerah n akan berdifusi melewati junction dan
berekombinasi dengan hole pada daerah p.
• Terbentuk 2 lapisan pengosongan (depletion layer) pada junction
• Barrier pontential : 0.7 V (Si) dan 0.3 (Ge)

43. NPN DAN PNP
• Transistor tipe npn dan pnp

44. BIASED TRANSISTOR
• Emitter diode dipanjar maju
(forward biased)
• Collector diode dipanjar
mundur (reverse biased)
• Ketika panjar maju mula-mula
diberikan pada emitter diode,
elektron pada emitter belum
memasuki daerah base

45. ALIRAN ELEKTRON
• Jika VBB lebih besar dari barrier
potential
• - Elektron bebas akan
memasuki base.
• - Karena base tipis dan
didoping ringan, elektron pada
base mempunyai banyak
waktu untuk berdifusi menuju
collector
• - Hanya sedikit elektron yang
ada base akan menuju
terminal positif VBB (kurang
dari 5% untuk kebanyakan
transistor)

46. ARUS TRANSISTOR
Aliran konvensional Aliran elektron
IE = arus emitter
IB = arus base
IC = arus collector

47. ARUS TRANSISTOR
• Dari Hukum Kirchoff untuk Arus:
IE= IC + IB
• Hampir semua elektron emitter mengalir ke
collector, sehingga IC=IE
• Current gain (penguatan arus) transistor β,
adalah arus collector dibagi dengan arus base
• β= 100 – 300 untuk transistor daya rendah
• β = 20 – 100 untuk transistor daya tinggi
B
C
I
I


B
C
I
I




C
B
B
C
I
I
I
I

 .

48. ANALOGI
• Analogi water tank
B
C
E
Aliran air melalui C dan E
dikontrol oleh aliran melalui B

49. RANGKAIAN COMMON EMITTOR
• Rangkaian common emittor:
• Ground dari setiap sumber tegangan
dihubungkan dengan emitter
• VBB= sumber tegangan
(5 -15 V untuk rangkaian daya rendah)
• Arus base IB dikontrol oleh nilai VBB dan
atau RB
• VCC= sumber tegangan
• VCC reversed biased collector diode
• VCE= tegangan antara collector dan
emitter
(1-15 V untuk rangkaian daya rendah)

50. RANGKAIAN COMMON EMITTOR
E
B
BE
B
C
CB
E
C
CE
V
V
V
V
V
V
V
V
V







51. KURVA BASE
• Kurva base mirip dengan kurva dioda
B
BE
BB
B
R
V
V
I


VBE = 0.7 V (untuk transistor silikon)
= 0.3 V (untuk transistor germanium)
Contoh:
A
k
IB 
13
100
7
.
0
2




mA
A
I
I B
C
6
.
2
13
.
200
.





200
100
2 


 
k
R
V
V B
BB

52. KURVA COLLECTOR
• Ditentukan IB= 10 μA
• VCC ditentukan
• IC dan VCE diukur dan diplot

53. KURVA COLLECTOR
• VCE = 0 : collector diode tidak reverse bias, IC = 0
• VCE antara 0 dan 1 V : IC naik dan kemudian konstan
• IC konstan untuk 1mA untuk setiap nilai VCE antara 1V-40V
• Jika VCE > 40V, IC naik dengan cepat dan transistor pada daerah breakdown
• Dari hukum Kirchoff untuk tegangan:
• Daya yang didisipasikan transistor
C
C
CC
CE R
I
V
V 

C
CE
D I
V
P 

54. KURVA COLLECTOR
• Ditentukan IB= 20μA
• Arus Collector IC= 2mA
• Penguatan arus:
100
20
2



A
mA
I
I
B
C


Daerah Aktif
Daerah
saturasi
Daerah
Breakdown

55. DAERAH OPERASI
• 1. Daerah Aktif :
- daerah operasi normal transistor
- emitter diode: forward bias, collector diode: reverse bias
2. Daerah Breakdown
• - transistor tidak boleh bekerja pada daerah ini karena dapat merusak transistor tersebut
3. Daerah Saturasi
- Daerah dimana VCE antara 0-1V
- Collector diode tidak reverse bias
• 4. Daerah cutoff
• IB= 0 tetapi ada arus collector IC yang sangat kecil
• Arus tersebut dinamakan arus collector cutoff
• Disebabkan reverse minority current dan surface-leakage current

56. GARIS BEBAN
• Garis beban (load line) :
• - Garis yang digambar diatas kurva collector untuk menunjukkan setiap
titik operasi yang mungkin dari transistor

57. TITIK SATURASI DAN CUTTOFF
• Titik saturasi: titik dimana garis beban memotong daerah
saturasi dari kurva collector
• Titik saturasi
- arus collector maksimum pada rangkaian
• Titik cutoff : titik dimana garis beban memotong daerah
cuttoff pada kurva collector
• Titik cutoff:
- tegangan collector emitter maksimum pada rangkaian
 
c
CC
sat
C
R
V
I 
  CC
cut
CE V
V 

58. TUGAS 3
1. Urutkan unsur semikonduktor dibawah ini dari
konduktivitas paling kecil hingga konduktivitas paling
besar, dan tuliskan besar konduktivitasnya!
Intan-Timah Putih–Germanium–Silikon
2. Jelaskan prinsip semikonduktor pada LED!
3. Konsentrasi atom Ge adalah 4,41 x 1022atom/cm3. Jika
tiap 108 atom Ge dikotori 1 atom donor, dan μn= 3800
cm2/Vs, tentukan σ.

59. TUGAS 3