Operational Amplifier

Semikonduktor

Isolator adalah bahan dengan konduktivitas paling rendah

Konduktor adalah bahan dengan konduktivitas paling tinggi

Semikonduktor adalah material yang level konduktivitas (daya hantaran listriknya) berada diantara isolator dan konduktorHantaran listrik suatu bahan tergantung dari sifat tahanan bahan tersebut.

Tahanan suatu material dapat diekspresikan melalui persamaan berikut:

()

R = tahanan bahan

= rho = tahanan jenis bahan

L = panjang bahan

A = luas penampang bahan

Contoh perbedaan tahanan jenis bahan pada 300o K (suhu ruang) KonduktorSemikonduktorIsolator

= 10-6 cm (Tembaga) = 50 cm (Germanium)

= 50x103 cm (Silicon) = 1012 cm (Mika)

Dari tabel terlihat tahanan semikonduktor (Germanium dan Silikon) terletak diantara konduktor dan isolator.Germanium (Ge) dan Silikon (Si) diamati secara khusus untuk beberapa alasan antara lain :

Material Ge dan Si dapat dibuat dengan tingkat kemurnian yang tinggi ( kemajuan teknologi menunjukkan bahwa level ketidakmurnian bahan tersebut dapat direduksi menjadi 1 bagian atom lain dalam 10 billion atom Ge atau Si (1 : 1010)

Karakteristik menunjukkan bahwa material tersebut dapat diaplikasikan menjadi device yang sensitif terhadap panas dan cahaya.

Tingkat impurity (ketidakmurnian) dapat merubah sifat kelistrikan dari tingkat konduktor yang rendah ke konduktor listrik yang baik.

Proses impurity dapat dilakukan dengan jalan menyisipkan atom ke dalam struktur atom-atom utama (Ge dan Si) ( proses ini lebih dikenal dengan istilah DOPING.

Struktur kristal tunggal Ge dan Si:

Hal penting tentang atom:

Setiap atom mempunyai 3 partikel utama yaitu: Neutron, Proton dan Elektron.

Neutron= partikel yang tidak bermuatan (netral) ( muatannya = 0; simbol : nProton= partikel bermuatan positif ( simbol : p

besar muatan sama dengan muatan elektron

Elektron= partikel bermuatan negatif ( simbol : e

muatan : 1,6x10-19 Coulomb Neutron dan Proton barasal dari inti, sedangkan elektron berputar mengelilingi inti melalui lintasan-lintasan (orbit) tertentu.

Selama elektron beredar dalam lintasannya tidak terjadi penyerapan atau pemancaran energi.

Elektron dapat berpindah tempat dari lintasan dalam ke lintasan luar atau dari tempat dengan tingkat energi yang lebih rendah ke tempat dengan tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi

Sebaliknya

Dari lintasan luar ke lintasan dalam (dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah) dengan memancarkan energi.

Model Atom Bohr

Semua atom mempunyai kecenderungan untuk membentuk struktur atom dengan 8 elektron pada kulit terluar (elektron valensi), karena sifatnya sangat stabil dan tidak reaktif, contoh : golongan Gas Mulia: He, Ne, Ar, Kr, Xe dan Rn.

Salah satu caranya dengan sharing elektron (pemakaian elektron bersama-sama) ( prinsip ini dikenal sebagai ikatan kovalen.

Contoh:Ge ( nomor atom : 32

Si ( nomor atom : 14 ( struktur Si digambarkan dengan menganggap ada 14 elektron yang bergerak mengelilingi inti yang mempunyai muatan +14 q

q = muatan listrik = 1,6x10-19 Coulomb

(a)

(b) ikatan kovalen

Struktur atom : (a) Silikon

(b) Germanium

Silikon dan Germanium mempunyai 4 tempat kosong pada kulit terluar, berarti Si dan Ge dapat menerima 4 buah elektron dari luar ( untuk membentuk struktur dengan 8 elektron di kulit terluar.

Sebuah kristal murni (ikatan terbentuk dari atom-atom yang sama) ( merupakan isolator karena semua elektronnya saling mengikat.

Pada kristal semikonduktor timbulnya sifat kelistrikan dapat dijelaskan sbb :

temperatur naik ( atom-atom bergetar oleh panas ( memberi energi pada elektron ( elektron dapat terbebas dari ikatan ( konduksi listrik naik.

Hole juga dapat berpindah-pindah dan mempunyai sifat sebagai zarah bermuatan positif.

Dalam kristal dengan ikatan kovalen murni yang tidak mengandung atom asing ( konduksi listrik tentunya hanya ditimbulkan oleh gerakan elektron dan hole bersama-sama.

Energi yang diperlukan untuk membebaskan ikatan elektron disebut energi ionisasi ( untuk Si = 1,1 eV dan Ge = 0,7 eV1 eV (elektron volt) adalah besarnya energi yang diperoleh elektron yang dipercepat oleh beda potensial 1 volt.

1 eV = 1,601 x 1 eV

= 1,601 x 10-19 (Coulomb x 1 volt)

= 1,601 x 10-19 Joule

Energi ionisasi dapat ditimbulkan oleh Temperatur

Foton

Energi ini dikenal sebagai Celah Energi (energi gap) = Eg

Oleh temperatur ( Eionisasi = kT

k = konstanta Boltzman = 8,64x10-5 (eV/oK)

T = temperatur absolut (oK)

Pada temperatur kamar (300o K) :

Eionisasi = 0,0258 eV

0,7 eV (Ge) .

1,1 eV (Si)

Perbedaan tingkat energi ionisasi:

Apabila elektron berpindah dari jalur valensi ke jalur konduksi maka timbul hole pada jalur valensi dan elektron bebas pada jalur konduksi.

Celah energi pada bermacam macam semikonduktor:SemikonduktorCelah energi eV (pada 300oK)

Si

Ge1.11

0.67

Ga As

Ga Sb1.39

0.67

In Sb

Cd Te0.17

1.45

Cd S

Zn O

Intan2.45

3.2

6

Intan merupakan isolator terbaik ( Eg = 6 eV

In Sb mempunyai konduktivitas besar pada suhu kamar (Eg = 0.17

ENERGI FERMI

Tingkat energi Fermi (EF) adalah tingkat energi referensi dimana pada tingkat ini kemungkinan dijumpainya elektron atau hole adalah 50 %.

Fungsi distribusi Fermi Dirac

EF = tingkat Fermi (eV)

k = konstanta Boltzman (eV/oK)

T = Temperatur absolute (oK)

Keterangan grafik:

Pada t = 0 oK (=-273 oC) ( semua elektron di jalur valensi ( jalur konduksi kosong. Kemungkinan dijumpai elektron pada 0 > E > EF adalah 100 %, atau f(E) = 1 ( artinya semua keadaan diduduki elektron (hole = 0)

E > EF ( f(E) = 0 ( kemungkinan dijumpai elektron di daerah E > EF adalah nol.

E = EF ( ( di daerah E = EF, kemungkinan dijumpainya elektron adalah 50 %.

Semikonduktor ( EF terletak di tengah tengah antara jalur konduksi dan jalur valensi.

MOBILITAS PEMBAWA MUATAN ()

Mobilitas (gerakan) adalah parameter semikonduktor untuk menunjukkan sejauh mana pembawa muatan dapat dengan mudah bergerak dalam bahan di bawah pengaruh suatu medan listrik.

Dalam semikonduktor ( diperlukan harga mobilitas yang tinggi.

Faktor yang mempengaruhi mobilitas :

Kerusakan dalam susunan Kristal.

Kenaikan temperature ( T () pasangan e- dan hole (), tetapi inti atom pun bergetar ( menghambat mobilitas.

Perbandingan mobilitas elektron dan hole pada semikonduktor :

SemikonduktorEg (eV)Mobilitas e- (m2/Vs)Mobilitas hole (m2/Vs)

Ge

Si

Ga As

Ga P

In Sb0.72

1.10

1.40

2.25

0.200.3

0.15

> 0.50

0.01

> 60.19

0.05

003

0.002

0.30

In Sb mempunyai mobilitas lebih tingi dibandingkan dengan bahan semikonduktor yang lain.

Penggunaan In Sb sangan sedikit karena Eg nya rendah.

Diperlukan Eg yang relative tinggi untuk bahan bahan yang dipakai dalam pembuatan dioda dan transistor.

ARUS DIFUSI DAN ARUS DRIFT

Arus drift : arus yang timbul akibat gerakan gerakan partikel bermuatan, karena adanya medan listrik.Kecepatan gerak partikel tersebut sebanding dengan medan yang diberikan.

Kecepatan elektron :

Bila konsentrasi elektron : n

Hole: p

maka kepadatan (kerapatan) arus J masing-masing:

Arus Diffusi adalah arus yang mengalir akibat adanya perbedaan konsentrasi partikel dari suatu titik ke titik lain walaupun tanpa medan listrik.

Partikel bermuatan akan bergerak dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah

Arah gerakannya random (acak)

Gerakan berlangsung terus sampai konsentrasi partikel antara satu titik dengan yang lainnya sama

Hubungan antara konstanta diffusi D dengan kerapatan arus J untuk

hole :

elektron :

Dp : Konstanta Diffusi Hole (m2/sec)

Dn : Konstanta Diffusi Elektron

x : arah gerak partikel dalam sumbu x

Kerapatan arus drift dan diffusi adalah:

EMBED Equation.3

Hubungan konstanta diffusi dengan mobilitas :

Rekombinasi adalah kembalinya elektron ke jalur valensi karena bertemu dengan hole setelah rekombinasi elektron tidak bebas lagi (menjadi elektron valensi).

Rekombinasi dapat terjadi dengan beberapa cara, yaitu:

Direct transition: peralihan langsung partikel bermuatan dari jalur konduksi ke jalur valensi. Direct transition hanya terjadi pada jenis-jenis semikonduktor tertentu, misal Ga As (bahan pembuat LED) dimana peralihan langsung elektron dari jalur konduksi ke jalur valensi dengan memancarkan energi dalam bentuk cahaya.

Trapping Level: elektron kembali ke jalur valensi melalui satu atau lebih tingkat energi menengah. Tingkat energi yang menyebabkan elektron kembali ke jalur valensi disebut perangkap (Trap).

Tingkat perangkat dekat jalur konduksi perangkat elektron

Tingkat perangkat dekat jalur valensi perangkat hole.

Mean Life time (life time) dari partiel bermuatan adalah waktu rata-rata untuk terjadinya sebuah hole atau elektron bebas diantara generasi dan rekombinasi. Biasanya dalam orde (1ns 1ms)

SEMIKONDUKTOR EXTRINSIC

Karakter semikonduktor dapat diubah dengan menambahkan sejumlah atom impurity tertentu ke dalam bahan semikonduktor murni (kira-kira 1:107 1 atom impurity dalam 10 juta atom semikonduktor murni)

Bahan semikonduktor yang telah mendapat doping ini disebut semiconductor extrinsic .Ada 2 type semikonduktor extrinsic, yaitu:

Type n: dibuat dengan menambahkan elemen impurity (doping) yang mempunyai 5 elektron valensi seperti: Antimony, Arsenic, phorphorus. 4 elektron (e-) bergabung dengan e- valensi dari Si atau Ge membentuk ikatan kovalen. 1 elektron lagi tidak terikat, artinya bergerak bebas dalam bahan dan bertindak sebagi donor elektron untuk atom lain. Kelebihan e- menyebabkan bahan bersifat negatif (dapat memberikan e-) dan disebut semikonduktor type n.Atom impurity yang menimbulkan elektron donor disebut Atom donor.

Contoh : doping Antimony (sb) pada semikonduktor Si.

Tipe P: dibuat dengan doping atom yang mempunyai 3 elektron valensi pada kristal murni Ge atau Si, seperti Boron, Gallium, dan IndiumPada struktur ikatan atom yang baru terdapat kekurangan satu elektron untuk membentuk ikatan dengan 8 elektron pada lintasan terluar (istilah lainnya: terdapat 1 hole) bahan menjadi semikonduktor Tipe P, Hole bersifat sebagai akseptor terhadap e- bebas atom yang menimbulkannya disebut atom akseptor.

Hole dapat berpindah dari suatu atom ke atom lain (hole dapat diisi oleh e- bebas).

Konsentrasi Pembawa :

Dalam bahan semikonduktor, pembawa muatan adalah hole dan elektron

Pada semikonduktor tipe p pembawa muatan mayoritas (jumlah besar) adalah hole dan elektron sebagai pembawa muatan minoritas.

Type-N pembawa mayoritas : elektron

pembawa minoritas : Hole

Untuk semikonduktor intrinsik konsentrasi hole sama dengan konsentrasi elektron, maka dominasi pembawa muatan mayoritas dan minoritas tidak dapat dibedakan.

Gambar (a)

Gambar (b)Gambar (a) dan gambar (b) menunjukkan konsentrasi pembawa muatan dengan dua cara penyajian yang berbeda.

Penggunaan Semikonduktor

No.SemikonduktorPenggunaan

1. Barium Titanate Thermistor (PTC)

2. Bismuth Telluride Konversi Thermoelectric

3. Cadmium Sulphide Photoconductive cell

4. Galium Arsenide Dioda, Transistor, LED, Dioda Laser, Generator

microwave

5. Germanium Dioda, transistor

6. Indium Antimonide Magnetaresistor, piezoresistor, inframerah, Radiation detector

7. Indium Arsenide Piezoresistor

8. Lead Sulphide Infrared-radiation detector

9. Lead Telluride Infrared-radiation detector

10. Metallie Oxides Thermistor (NTC)

11. Silicon Dioda, transistor, rangkaian terintegrasi (IC)

12. Silicon Carbide Varistor (Voltage Sensitive resistor)

13. Zinc Sulphide Electroluminescent device

HYPERLINK "http://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:Triac01.jpg" \o "Pada gambar diperlihatkan semikonduktor TRIAC salah satu jenis dioda Thyristor atau SCR"

TRIAC

Transistor

EMBED Visio.Drawing.11

Eg = 11 eV (Si)

E = 0.67 eV (Ge)

Overlap antara pita konduksi dan pita valensi ( tidak diperlukan Eionisasi agar bahan dapat menghantarkan listrik

Electron bebas yang membentuk konduksi

Pita valensi

Pita konduksi

Konduktor

Electron valensi terikat oleh struktur atom

Eq

Pita Valensi

Pita konduksi

Pita Valensi

Pita konduksi

Energi

Eq > 5eV

Energi

Energi

Pita konduksi

Pita Valensi

maka tidak ada elektron yang terbebas

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

Isolator

Semikonduktor

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

+

-

medan listrik ()

elektron

hole

Arus (I)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 (A/m2)

Jalur konduksi

Jalur valensi

Perangkap hole

Perangkap elektron

Direct t

ransition

Direct transition

Perangkap elektron

EMBED Visio.Drawing.11

PAGE 18Elektronika

_1257451123.vsdHole = tempat kosong yang tidak lagi diduduki elektron

elektron terlepas(bebas)

_1359788500.unknown

_1359793779.vsdEnergi

Eg Level 2

Eg Level 3

inti

(Level Energi)

Level Valensi

Eg untuk tiap-tiap level tidak sama

_1359794458.vsd+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

-

+

+

-

+

-

Tipe n

Tipe p

Mayoritas carrier(pembawa mayoritas)

Minoritas carrier

Ion donor

Ion akseptor

_1359794651.vsd+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Tipe n

Tipe p

Mayoritas carrier(pembawa mayoritas)

Minoritas carrier

Ion donor

Ion akseptor

Mayoritas carrier

_1359858979.vsdZ-Axis

Si

B

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

- -

- -

- -

-

-

- -

- -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

_1359794164.vsdY-Axis

X-Axis

Z-Axis

_1359790930.vsd Lintasan 1 = K 2 Lintasan 2 = L 8 Lintasan 3 = M18 Lintasan 4 = N32 DstDst

ElektronMaksimum

_1359788511.vsdL

r

x

A = x.r

A = Luas = .r2

_1257473928.unknown

_1257474230.unknown

_1359199897.vsdZ-Axis

Si

Sb

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

- -

- -

- -

-

-

- -

- -

-

-

-

- -

-

-

-

-

-

-

-

_1257473954.unknown

_1257453598.unknown

_1257453610.unknown

_1233782653.unknown

_1233783996.unknown

_1233784197.unknown

_1233899661.unknown

_1257451093.vsdHole

_1233784172.unknown

_1233784149.unknown

_1233782993.unknown

_1233761728.vsd

_1233772959.unknown

_1233782022.unknown

_1233761741.vsd

_1233755757.vsd

_1233761719.vsd

_1233757487.vsd

_1233755261.vsd