9_Semikonduktor
9_Semikonduktor
9_Semikonduktor
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
SEMIKONDUKTOR<br />
oleh: Ichwan Yelfianhar<br />
dirangkum dari berbagai sumber
Pengertian Umum<br />
Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat<br />
setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk<br />
oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi<br />
bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan<br />
konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah<br />
dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan<br />
perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian<br />
tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh<br />
karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah<br />
menghantar.
KONSEP PITA ENERGI SEMIKONDUKTOR<br />
Hukum dasar yang menjelaskan hubungan antara elektron dengan kulit<br />
orbit :<br />
� elektron bergerak dalam kulit orbit. Elektron tidak dapat mengelilingi inti<br />
atom dalam ruangan yang ada antara dua buah kulit orbit.<br />
� setiap kulit orbit berhubungan dengan sebuah range energi<br />
khusus,elektron-elektron yang bergerak dalam suatu kulit orbit akan<br />
memilki sejumlah energi yang sama.<br />
Catatan : level energi dalam kulit akan meningkat ketika makin jauh dari<br />
inti atom. Hal ini dapat disimpulkan maka elektron valensi selalu memilki<br />
level energi yang tertinggi dalam setiap atom.<br />
� elektron untuk berpindah dari suatu kulit ke kulit yang lain menyerap<br />
energi untuk menyesuaikan level energi antara level energi kulit awal<br />
dengan level energi kulit yang dituju.<br />
� Jika suatu atom menyerap cukup energi untuk berpindah dari suatu kulit<br />
yang satu kekulit yang lain, sebenarnya elektron ini kembali melepaskan<br />
energi yang diserapnya dan mengembalikannya ke kulit energi yang<br />
rendah
Celah & level energi Silikon<br />
Pita Konduksi<br />
Pita Valensi<br />
Celah Energi<br />
e 4=1.8eV<br />
e 3=0.7eV<br />
e 2<br />
e 1
Pita energi untuk Konduktor, semi<br />
konduktor, dan Isolator
Karakteristik Bahan <strong>Semikonduktor</strong><br />
� <strong>Semikonduktor</strong> elemental terdiri atas unsur – unsur pada sistem<br />
periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan<br />
Karbon (C). Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk kristal<br />
intan. <strong>Semikonduktor</strong> intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi<br />
sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek<br />
panas pada pembuatan semikonduktor laser.<br />
� <strong>Semikonduktor</strong> gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang<br />
dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2<br />
dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6)<br />
sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). <strong>Semikonduktor</strong><br />
gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II<br />
dan VI misalnya CdTe dan ZnS.
Tabel Bahan <strong>Semikonduktor</strong>
Tabel Karakteristik <strong>Semikonduktor</strong>
Struktur Ikatan Atom <strong>Semikonduktor</strong><br />
Struktur ikatan atom bahan semikonduktor dapat<br />
diamati pada Silikon (Si), Germanium (Ge) dan Galium<br />
Arsenida (GaAs). Hampir semua bahan semikonduktor<br />
yang dibentuk memiliki struktur ikatan kovalen, baik<br />
pada semikonduktor elemental maupun semikonduktor<br />
gabungan. Semikonduktivitas dapat terjadi dengan<br />
memberikan energi maupun pengotor (dopping)<br />
sehingga pada ikatan kovalen yang sempurna akan<br />
terbentuk hole atau kelebihan elektron, sehingga<br />
muncul sifat semikonduktor.
Jenis <strong>Semikonduktor</strong><br />
Berdasarkan mekanisme terbentuknya gejala semikonduktivitas,<br />
semikonduktor terdiri atas:<br />
<strong>Semikonduktor</strong> Intrinsik<br />
Terbentuk dari semikonduktor murni yang memiliki<br />
ikatan kovalen sempurna seperti Si, Ge, C dan<br />
sebagainya.<br />
<strong>Semikonduktor</strong> Ekstrinsik<br />
Terbentuk dari semikonduktor murni yang dikotori<br />
oleh atom dopping sebagai penghasil elektron<br />
konduksi atau hole. Terdiri atas dua tipe: Tipe – N (<br />
Silikon + Phospor atau Arsenic) dan Tipe – P (Silikon<br />
+ Boron, Galium atau Indium)
<strong>Semikonduktor</strong> Intrinsik<br />
Mekanisme terbentuknya semikonduktor intrinsik<br />
diperlihatkan pada semikonduktor murni seperti Si.<br />
Pada kondisi normal atom – atom Si saling berikatan<br />
melalui 4 ikatan kovalen (masing – masing memiliki 2<br />
elektron valensi). Ketika suhu dinaikkan maka stimulasi<br />
panas akan mengganggu ikatan valensi ini sehingga<br />
salah satu elektron valensi akan berpindah ke pita<br />
konduksi. Lokasi yang ditinggalkan oleh elektron valensi<br />
ini akan membentuk hole. Pasangan hole dan elektron<br />
ini menjadi pembawa muatan dalam semikonduktor<br />
intrinsik. Proses ini diperlihatkan pada gambar berikut:
<strong>Semikonduktor</strong> Intrinsik<br />
a. Kondisi normal b. Kondisi terstimulasi
Celah Energi <strong>Semikonduktor</strong> Intrinsik<br />
Besar energi yang dibutuhkan<br />
untuk membentuk pasangan<br />
elektron dan hole pada semikonduktor<br />
intrinsik ditentukan<br />
oleh jarak celah energi antara<br />
pita valensi dengan pita konduksi<br />
semakin jauh jaraknya maka<br />
semakin besar energi yang<br />
dibutuhkan untuk membentuk<br />
elektron – hole sebagai pembawa<br />
muatan. Pada Si dibutuhkan<br />
energi Eg = 1,12 eV.
Celah Energi <strong>Semikonduktor</strong> Intrinsik<br />
Semakin kecil celah energi maka jumlah pembawa muatan semakin<br />
meningkat. Sehingga konduktivitas dari unsur golongan IV pada<br />
sistem periodik meningkat dari karbon ke silikon, germanium dan<br />
timah putih. Konduktivitas ini merupakan sifat dasar dari bahan<br />
dan tidak ditimbulkan oleh kotoran, oleh karena itu dinamakan<br />
semikonduktivitas intrinsik. Perbandingan celah energi unsur pada<br />
golongan IV diperlihatkan pada gambar berikut:
<strong>Semikonduktor</strong> Ekstrinsik<br />
<strong>Semikonduktor</strong> ekstrinsik terbentuk melalui mekanisme<br />
doping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan elektron<br />
valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen<br />
sehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.<br />
Mekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikan<br />
atom pengotor ke bahan semikonduktor murni sehingga<br />
apabila atom pengotor memiliki kelebihan elektron<br />
valensi (valensi 5) akan terdapat elektron bebas yang<br />
dapat berpindah. Apabila semikonduktor murni<br />
diberikan pengotor dengan valensi kurang (valensi 3)<br />
maka akan terbentuk area kosong (hole) yang menjadi<br />
pembawa muatan. Mekanisme ini menentukan jenis<br />
semikonduktor yang dibentuk (tipe – N atau tipe – P)
<strong>Semikonduktor</strong> Tipe-N<br />
Bahan silikon diberi doping<br />
phosphorus atau arsenic yang<br />
pentavalen yaitu bahan kristal<br />
dengan inti atom memiliki 5<br />
elektron valensi. Dengan doping,<br />
Silikon yang tidak lagi murni ini<br />
(impurity semiconductor) akan<br />
memiliki kelebihan elektron.<br />
Kelebihan elektron membentuk<br />
semikonduktor tipe-n.<br />
<strong>Semikonduktor</strong> tipe-n disebut juga<br />
donor yang siap melepaskan<br />
elektron.
<strong>Semikonduktor</strong> Tipe-P<br />
Kalau Silikon diberi doping Boron,<br />
Gallium atau Indium, maka akan<br />
didapat semikonduktor tipe-p.<br />
Untuk mendapatkan silikon tipe-p,<br />
bahan dopingnya adalah bahan<br />
trivalen yaitu unsur dengan ion<br />
yang memiliki 3 elektron pada<br />
pita valensi. Karena ion silikon<br />
memiliki 4 elektron, dengan<br />
demikian ada ikatan kovalen yang<br />
bolong (hole). Hole ini digambarkan<br />
sebagai akseptor yang siap<br />
menerima elektron. Dengan<br />
demikian, kekurangan elektron<br />
menyebabkan semikonduktor ini<br />
menjadi tipe-p.
Mobilitas Muatan Pada <strong>Semikonduktor</strong><br />
<strong>Semikonduktor</strong> mempunyai pembawa muatan negatif dan positif.<br />
Elektron yang melompat ke pita konduksi disebut pembawa<br />
muatan jenis negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung<br />
pada mobilitas � n dalam pita konduksi semikonduktor.<br />
Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi merupakan<br />
pembawa muatan jenis positif. Konduktivitas yang dihasilkan<br />
tergantung pada mobilitas �p dalam pita valensi semikonduktor.<br />
Sehingga konduktivitas seluruhnya merupakan gabungan dari<br />
keduanya, dirumuskan :<br />
Dengan n : jumlah pembawa muatan<br />
��mobilitas muatan<br />
q : besar muatan yang dibawa (0,16 x 10-18 Coulomb)
Mobilitas Muatan Pada <strong>Semikonduktor</strong><br />
Pada semikonduktor intrinsik pembawa muatan negatif adalah<br />
elektron yang berpindah ke pita konduksi sehingga meninggalkan<br />
lubang (hole) pada pita konduksi sebagai pembawa muatan positif<br />
sehingga nn = np, dan persamaan konduktifitas (�� dapat<br />
disederhanakan.<br />
Pada semikonduktor ekstrinsik nn tidak sama dengan np sehingga<br />
bentuk persamaan tersebut dapat tetap digunakan.<br />
Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar daripada<br />
mobilitas lubang elektron dalam semikonduktor yang sama.<br />
Sehingga karakteristik konduktivitas semikonduktor tipe –n<br />
berbeda dengan dengan semikonduktor tipe –p.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas<br />
<strong>Semikonduktor</strong><br />
Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan meningkatnya<br />
suhu. Hal ini dapat disebabkan karena :<br />
Jumlah pembawa muatan n, bertambah sebanding dengan<br />
jumlah elektron yang dapat melompati celah. Pada suhu<br />
0oK, tidak ada elektron yang mempunyai cukup energi<br />
untuk melompat, akan tetapi dengan naiknya suhu, energi<br />
elektron bertambah, pada 20oC, sejumlah elektron valensi<br />
dalam silikon, germanium dan timah memiliki energi Eg<br />
sebesar celah energi yang dibentuk.<br />
Sehingga distribusi elektron pada semikonduktor yang<br />
mendapatkan energi thermal adalah:<br />
dimana, ni adalah jumlah elektron/m 3 dalam pita konduksi.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas<br />
<strong>Semikonduktor</strong><br />
Dalam sela energi E rata-rata terdapat ditengah-tengah celah,<br />
sebanding dengan Eg/2, sehingga persamaan sebelumnya menjadi:<br />
Dengan: T adalah suhu absolut (K)<br />
k adalah konstanta Boltzmann (86,1 x 10-6 eV/K)<br />
Konduktivitas � berbanding lurus dengan jumlah muatan n, oleh<br />
karena itu:<br />
dimana � 0 adalah konstanta pembanding yang mencakup faktorfaktor,<br />
q dan � dari persamaan tadi.
Pengaruh Suhu terhadap Konduktivitas<br />
<strong>Semikonduktor</strong><br />
Mobilitas � memang tergantung pada suhu akan tetapi<br />
perubahan tersebut berada dalam batas-batas daerah<br />
kerja semikonduktor umumnya dan kecil bila<br />
dibandingkan dengan perubahan eksponensial dari<br />
jumlah pembawa muatan n, oleh karena itu :<br />
Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktor diukur<br />
di laboratorium maka Eg dapat dihitung dari kemiringan<br />
kurva, ln T terhadap Eg (kemiringan = - Eg/2k).<br />
sebaliknya bila diketahui Eg dan �, kita dapat<br />
menghitung � pada suhu tertentu.
Pemanfaatan <strong>Semikonduktor</strong><br />
<strong>Semikonduktor</strong> merupakan terobosan dalam teknologi<br />
bahan listrik yang memungkinkan pembuatan<br />
komponen elektronik dalam wujud mikro, sehingga<br />
peralatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yang<br />
lebih kecil. Beberapa komponen elektronik yang<br />
menggunakan bahan semikonduktor yaitu:<br />
Dioda<br />
Transistor<br />
IC (Integated Circuit)<br />
Mikroprosesor
Dioda<br />
� Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar.<br />
Diode memiliki banyak tipe dan tiap tipe memiliki<br />
fungsi dan karakteristik masing-masing.<br />
� Kata Diode berasal dari Di (Dua) & Ode (Elektrode),<br />
jadi Diode adalah komponen yang memiliki dua<br />
terminal atau dua electrode yang berfungsi sebagai<br />
penghantar arus listrik dalam satu arah. Dengan kata<br />
lain diode bekerja sebagai Konduktor bila beda<br />
potensial listrik yang diberikan dalam arah tertentu<br />
(Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagai<br />
Isolator bila beda potensial listrik diberikan dalam<br />
arah yang berlawanan (Bias Reverse) Tipe dasar dari<br />
diode adalah diode sambungan PN.
Kurva Karakteristik Diode
LAPISAN PENGOSONGAN DIODA
Bias Forward pada Diode
Bias Reverse pada Diode
Light Emiting Diode (LED)
Transistor<br />
Transistor adalah komponen elektronik yang dibuat dari<br />
materi semikonduktor yang dapat mengatur tegangan<br />
dan arus yang mengalir melewatinya dan dapat<br />
berfungsi<br />
elektronik.<br />
sebagai saklar elektronik dan gerbang<br />
Transistor dapat digunakan pada:<br />
� Rangkaian Switching<br />
� Rangkaian Penguat<br />
� Rangkaian Osilasi<br />
� Sensor
Transistor<br />
Transistor yang umum digunakan dinamakan Bipolar<br />
Junction Transistor (BJT) karena dirancang dari semi<br />
konduktor tipe N dan P yang dihubungkan melalui<br />
penghubung (junction). Bagian – bagiannya antara lain:
Transistor<br />
Transistor BJT ada dua jenis yaitu:<br />
� Tipe NPN<br />
� Tipe PNP
Transistor<br />
Prinsip kerja transistor BJT diperlihatkan pada gambar<br />
berikut:
Transistor<br />
Arus masuk ke terminal emiter akan di salurkan ke<br />
terminal kolektor dan basis. Besar arus yang dihasilkan<br />
diterminal kolektor dapat diatur dengan mengatur<br />
tegangan yang diberikan antara terminal basis dan<br />
emiter. Besar arus yang diperoleh pada terminal<br />
kolektor dirumuskan:<br />
Dengan I0 = arus emiter, V0 = tegangan emiter – basis,<br />
B = konstanta basis
Integrated Circuit (IC)<br />
Integrated Circuit merupakan komponen elektronik<br />
yang terdiri atas beberapa terminal transistor yang<br />
tergabung membentuk gerbang. Masing – masing<br />
gerbang dapat dioperasikan sehingga membentuk<br />
logika tertentu yang dapat mengendalikan<br />
pengoperasian suatu perangkat elektronik.<br />
Gabungan dari beberapa buah IC dan komponen lain<br />
dapat diproduksi dengan menggunakan bahan<br />
semikonduktor dalam bentuk chip. Chip multifungsi ini<br />
kemudian dikenal sebagai mikroprosesor yang<br />
berkembang hingga sekarang.
Perkembangan IC<br />
Teknologi Nama Jumlah<br />
Komponen<br />
Tahun<br />
SSI Small Scale Integrated Awal 1980
Macam-macam <strong>Semikonduktor</strong> dan<br />
penggunaannya
Macam-macam <strong>Semikonduktor</strong> dan<br />
penggunaannya