Ppt Tugas 8 Febri Yenti (1301600)

8/17/2019 Ppt Tugas 8 Febri Yenti (1301600)

1/50

“KRISTAL SEMI KONDUKTOR ”

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU

PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI PADANG

2016

Febri Yenti (1301600)

Putri Dwi Sari (1301576)

Andrika Gustia (1301646)


2/50

PENGANTAR

• Istilah semikonduktor dipergunakan untuk zat dengan tahanan jenisdalam selang harga antara 10-5 sampai 105 ohm-meter.

• Penggolongan zat menurut tahanan jenis disertakan dalam tabel:

• Setelah piranti elektronik dasar terbuat dari kristal semikonduktor yang dikenal sebagai transistor yang dibuat oleh Bardeen dkk(1954), minat ilmuwan untuk mempelajari sifat semikonduksi bahanpadat meningkat tajam.

Kategori Tahanan jenis

Ohm-meter

Isolator 105 - 1017

Semikonduktor 10-5 - 105

Logam dan semi-logam 10-8 – 10-5


3/50


4/50

Ciri fisik utama bahan

semikonduktor antara lain: Selang harga tahanan jenis 10-5 – 105 ohm-meter

Tahanan jenis menurun dengan kenaikan suhu, menurut

persamaan 1; sedang tahanan jenis logam meningkat

dengan kenaikan suhu, menurut persamaan 2.

Tahanan jenis semikonduktor sangat dipengaruhi oleh

ketidakmurnian kimiawi di dalamnya, cahaya yang

menyinarinya, medan listrik, dan medan induksi

magnetik. Pengukuran koefisien Hall dan tahanan jenis

memberikan pembawa muatan yang berpolaritas negatif

(elektron) dan positif.


5/50

Pengukuran untuk mengetahui sifat dasar

bahan semikonduktor menyangkut:• Tahanan jenis (atau konduktivitas listrik σ)

• Konsentrasi, polaritas, dan mobilitas pembawa muatan listrik, (melalui

pengukuran koefisien Hall dan hasil pengukuran konduksi).

• Penentuan jurang energi.

Struktur Kristal dan Muasal Sifat Semikonduksi pada Germanium dan

Silikon

• Germanium (Ge) dan Silikon (Si) berstruktur intan. Tetangga terdekat setiap

atom berjumlah empat buah (bilangan koordinat: 4). Ditunjukkan dalam

sketsa di bawah.


6/50

KRISTAL SEMIKUNDUKTOR

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengankonduktivitas listrik yang berada di antara isolatordan konduktor.Disebut semi atau setengah

konduktor,karena bahan ini memang bukan konduktormurni. Semikonduktor, umumnya diklasifikasikanberdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhukamar, yakni dalam rentang Ωcm.

Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagaiisolator pada temperatur yang sangat rendah, namunpada temperatur ruang akan bersifat sebagaikonduktor.


7/50


Bahan Semikonduktor disebut juga sebagai bahansetengah penghantar listrik (setengah konduktor)karena celah energi yang dibentuk oleh struktur

bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolatortetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor,sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satuatom penyusun ke atom penyusun lain denganperlakuan tertentu terhadap bahan tersebut

(pemberiantegangan,perubahan suhu dan sebagainya).Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya

adalah silikon (Si),germanium (Ge) dan GaliumArsenida (GaAs).


8/50


A. LEBAR PITA ENERGI SEMIKUNDUKTORKonsep pita energi sangat penting dalam

mengelompokkan material sebagai konduktor,semikonduktor dan isolator. Besarnya lebar celah

energi dapat menentukan apakah suatu materialtermasuk konduktor, semikonduktor atau isolator.Celah energi memisahkan pita valensi dengan pitakonduksi. Elektron pada pita valensi dapat loncatmenuju pita konduksi dengan cara menyerap sejumlah

energi yang melebihi celah energi.Pada semikonduktor, terdapat pita energi yang

memperbolehkan keberadaan elektron, yaitu pitavalensi berenergi rendah yang terisi penuh olehelektron dan pita konduksi yang berenergi tinggi yangkosong.


9/50


Gambar 1 Pita energi bahan (a) isolator, (b)semikonduktor dan (c) konduktor

Diagram pita energi semikonduktor.Sejumlah elektron naik ke pitakonduksi pada temperatur kamar.


10/50


Celah energi yang memisahkan kedua pitatersebut yaitu pita terlarang atau disebut jugasebagai bandgap (Eg).

Salah satu karakteristik penting semikonduktoradalah memiliki celah energi yang relatif kecil yaitu berkisar antara 0,2-2,5 eV. Energi celahpita yang kecil ini memungkinkan suatu elektron

memasuki level energi yang lebih tinggi.Perpindahan elektron ini dapat terjadi karenapengaruh suhu dan penyinaran


11/50


Ketika semikonduktor diradiasi dengan cahaya yang

energinya lebih besar dari energi gap semikonduktor (hν≥ Eg), elektron dari pita valensi dapat tereksitasi ke pitakonduksi. Elektron yang melompat dari pita valensi kepita konduksi disebut pembawa muatan negatif,sedangkan lubang (hole) pada pita valensi merupakan

pembawa muatan positif.

Gambar 2 Pada pita valensi, elektron menyerap foton (h ν) dan pindah ke pita konduksi meninggalkan hole


12/50


Jika jalur terlarang sempit, elektron bebas mudahdibangkitkan hanya dengan energi kecil. Bila lebar,maka elektron bebas jarang dibangkitkan sepertihalnya pada isolator. Celah energi untuk beberapasemikondutor dapat dilihat pada Tabel1. Daridaftar ini terbukti bahwa intan merupakan isolator yang paling baik karena celah energinya 6 eV. InSbdan semacamnya mempunyai kondukivitas yang

besar pada temperatur kamar karena celahenerginya kecil.


13/50


Lebar celah energi didefinisikan sebagai selisihantara energi terendah dalam pita konduksi denganenergi tertinggi dalam pita valensi, atau dapat

dituliskan:E g = E c – E v

Dimana:E

g = lebar celah pita energi

E c = energi terendah dalam pita konduksiE v = energi tertinggi dalam pita valensi


14/50



15/50


B. PERSAMAAN GERAK ELEKTRON DALAM SEMIKUNDUKTOR

Sekarang kita akan menentukan persamaan gerakuntuk sebuah elektron dalam pita energi. Kecepan

kelompok untuk beberapa fungsi gelombang denganvektor gelombang k adalah :

Dengan merupakan frekuensi sudut. Jika frekuensisudut ini dihubungkan dengan energi dari fungsigelombang adalah


16/50


Dengan mensubstitusikedalam persamaan untuk kecepatan grup maka akandiperoleh:

Pengaruh kristal di dalam gerak elektron diberikandalam hubungan dispersi Usaha yang dilakukanoleh medan listrik pada elektron adalah:


17/50


Pada saat belajar Matematika Fisika, kita mengetahuibahwa dapat ditulis dalam bentuk

Dengan mensubstitusi persamaan 5) ke persamaan 6),

maka kita mendapatkan


18/50


Dengan membandingkan persamaan 6) dan persamaan8) maka


19/50


Persamaan 9) diatas merupakan persamaan untuk gayalistrik yang dialamiNoleh elektron karena berada dalammedan listrik E . Akhirnya diperoleh:


20/50


C. SEMIKUNDUKTOR INTRINSIK DAN EKSTRINSIK

1. SEMIKUNDUKTOR INTRINSIK

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si sajaatau Ge saja. Pada kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4

atom Si lainnya, perhatikan gambar 3.


21/50


Gambar 3.aStruktur kristal 2 dimensi kristal Si

Gambar 3.bIkatan kovalen pada

semikonduktor intrinsik (Si)


22/50


Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, selrimitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antaratom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini

isebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektronbersama oleh dua atom Si yang berdekatan.Menurut tori pita energi, pada T=0 K pita

valensi semikonduktor terisi penuh elektron,sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut

dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV.


23/50


Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal darienergi panas,elektron dapat melepaskan diri dari ikatankovalen dan tereksitasi menyebrangi celah energi.Elektron valensi pada atom Ge lebih mudah tereksitasimenjadi elektron bebas daripada elektron valensi padaatom Si,karena celah energi Si lebih besar dari padacelah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantaraatom. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut

hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni olehelektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang,kedua pita terisi sebagian,dan daat menimbulkan arusnetto bila dikenakan medan listrik.


24/50


Gambar 4Elektron dapat menyebrangi celah energi menuju pitakonduksisehingga menimbulkan hole pada pita valensi


25/50


2. Semikonduktor EkstrinsikSemikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi)oleh atom dari jenis lainnya dinamakan semikonduktorekstrinsik. Proses penambahan atom pengotor pada

semikonduktor murni disebut pengotoran (doping).Dengan menambahkan atom pengotor (impurities),struktur pita dan resistivitasnya akan berubah.

Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapatmenyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi.

Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjaditidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahanketidakmurnian.


26/50


Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitusemikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dansemikonduktor paduan.

1. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) padasilikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini

mempunyai lima elektron valensi sehingga secaraefektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuahatom pentavalen menempati posisi atom silikon dalamkisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat

membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah


27/50


elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 5).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisaelektron ini akan menjadi elekt ronbebas dan siapmenjadi pembawa muatan dalam proses hantaranlistrik. Material yang dihasilkan dari prosespengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan

elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagaiatom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar 5


28/50


Gambar 5 Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensilima menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pitaenergi semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom

donor.


29/50


Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktortipe-n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan

menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen(aluminium, boron,galium atau indium) padasemikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektronvalensi sehingga secara efektif hanya dapat

membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atomtrivalen menempati posisi atom silikon dalam kisikristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dantersisa

2. Semikonduktor tipe- p


30/50


sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidakberpasangan (lihat gambar 6) yang disebut lubang(hole). Material yang dihasilkan dari proses

pengotoran ini disebut semikonduktor tipe- p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerimaelektron, maka atom pengotor ini disebut sebagaiatom aseptor (acceptor). Secara skematik

semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihatpada gambar 6


31/50


Gambar 6 Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensitigam enggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pitaenergi semikonduktor tipe- p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.


32/50


D. KONDUKTIVITAS, LAJU DRIFT DAN MOBILITASPEMBAWA MUATAN DALAM SEMIKUNDUKTOR

Semikonduktor mempunyai pembawa muatan negatif

dan positif.Elektron yang melompat ke pita konduksidisebut pembawa muatan jenis negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung pada mobilitas n dalampita konduksi semikonduktor.

Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi

merupakan pembawa muatan jenis positif.Konduktivitas yang dihasilkan tergantung padamobilitas dalam pita valensi semikonduktor.Sehingga konduktivitas seluruhnya merupakan

gabungan dari keduanya, dirumuskan :


33/50


Pada semikonduktor intrinsik pembawa muatannegatif adalah elektron yang berpindah ke pita

konduksi sehingga meninggalkan lubang (hole) padapita konduksi sebagai pembawa muatan positifsehingga nn = np, dan persamaan konduktifitas( ) dapat disederhanakan.


34/50


Pada semikonduktor ekstrinsik nn tidak samadengan np sehingga bentuk persamaan tersebutdapat tetap digunakan.Mobilitas elektron dalam

suatu semikonduktor lebih besar daripada mobilitaslubang elektron dalam semikonduktor yang sama.Sehingga karakteristik konduktivitassemikonduktor tipe –n berbeda dengan dengan

semikonduktor tipe–p.Konduktivitas semikonduktor meningkat dengan

meningkatnya suhu. Hal ini dapat disebabkankarena:


35/50


“Jumlah pembawa muatan n, bertambah sebandingdengan jumlah elektron yang dapat melompaticelah. Pada suhu 0oK, tidak ada elektron yangmempunyai cukup energi untuk melompat, akantetapi dengan naiknya suhu,energi elektronbertambah, pada 20oC, sejumlah elektron valensidalam silikon, germanium dan timah memiliki energiEg sebesar celah energi yang dibentuk.”

Sehingga distribusi elektron pada semikonduktor yangmendapatkan energi thermal adalah:

dimana, ni adalah jumlah elektron/m3 dalam pita konduksi.


36/50


Dalam sela energi E rata-rata terdapat ditengah-tengah celah, sebanding dengan Eg/2, sehinggapersamaan sebelumnya menjadi:

Dengan: T adalah suhu absolut (K)k adalah konstantaBoltzmann (86,1 x 10-6 eV/K) Konduktivitasberbanding lurus dengan jumlah muatan n, oleh

K arena itu:

dimana adalah konstanta pembanding yang mencakupfaktorfaktor, q dan dari persamaan tadi.


37/50


Mobilitas µ memang tergantung pada suhu akan tetapiperubahan tersebut berada dalam batas-batas daerahkerja semikonduktor umumnya dan kecil bila

dibandingkan dengan perubahan eksponensial dari jumlah pembawa muatan n, oleh karena itu :

Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktordiukur di laboratorium maka Eg dapat dihitung darikemiringan kurva, ln T terhadap Eg (kemiringan = -Eg/2k). sebaliknya bila diketahui Eg dan , kitadapat menghitung pada suhu tertentu.


38/50


Arus hanyut (Laju drift) Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, makapartikel-partikel bermuatan dalam semikonduktortersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang

berbanding lurus dengan medan listriknya.

Laju hanyut elektron

Laju hanyut hole

v n = -µnE

v p = µ pE

dimana:v n dan v p = laju dari elektron dan hole (cm/s)

µ n dan µ p = mobilitas dari elektron dan hole (cm2/V.s)


39/50


Rapat arus drift untuk elektron adalah:

j n = q n µn E

Rapat arus drift untuk hole adalah:

j p = q p µ p E

Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktoradalah penjumlahan dari rapat arus drift elektrondengan rapat arus drift hole.


40/50


j T = j n + j p = q (n µn + p µ p )E = σ E

σ = q(n µn + p µ p )

ρ = 1/aσ

Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor :

Dan resistivitasnya :


41/50


E. KOSENTRASI PEMBAWA DALAM SEMIKUNDUKTOR

Dalam semikonduktor μ disebut tingkat Fermi. Pada

temperatur tinggi kita bisa mendapatkan pita konduksidari semikonduktor є-μ » kBT, dan fungsi distribusifermi Dirac, dapat ditulis

Berlaku ketika f « 1. Energi elektron di pita konduksi adalah:


42/50


dimana e m adalah massa efektif elektron, makarapat orbital di є adalah

Konsentrasi elektron dalam pita konduksi adalah

Dengan hasil integral


43/50


Ini berfungsi untuk menghitung konsentrasikeseimbangan hole p. Fungsi distribusi fh untuk hole berhubungan dengan fungsi distribusi elektron fe

yaitu

pada kondisi (μ-є)»kBT. Jika hole dekat pita valensiteratas berlaku sebagai partikel dengan massa efektif

mh, maka rapat orbital hole adalah:


44/50


dengan mengukur energi positif ke atas dari pita valensi

teratas didapat

dimana p konsentrasi hole dalam pita valensi


45/50


Kita mengalikan n dan p untuk membuktikan hubungankeseimbangan:

bentuk persamaan tersebut merupakan hukumaksi massa. Dimana hasil kali np konstan padatemperatur tertentu.Jarak tingkat Fermi dari kedua

ujung pita harus sama dengan k T. B Pada 300 K nilai np adalah 3.6 X 1027 cm-6 untuk Ge dan 4.6 X 1019 cm-6untuk Si, semuanya dihitung dengan

Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektronsama dengan jumlah hole.


46/50


pembawa intrinsik tergantung pada , dimana Eg

adalah celah energi. Kita jumlahkan persamaan (21)dan (24) untuk mendapatkan

atau untuk level fermi,

jika maka dan tingkat Fermi berada

ditengah-tengah celah.


47/50


F. SAMBUNGAN P-N

Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan

maka adanya kelebihan hole pada tipe-p dan elektronpada tipe-n akan mengakibatkan terjadinya arus difusi, yakni arus difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n danarus difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Adanyaarus difusi ini akan mengakibatkan munculnya daerah

pengosongan muatan disekitar daerah batas tipe-p dantipe-n. Daerah ini kemudian disebut juga sebagaidaerah deplesi. Kemudian pada daerah deplesi ini akanterjadi penumpukan muatan positif (hole ) di sekitar


48/50


daerah batas tipe-n dan penumpukan muatan negatifpada batas tipe-p. Penumpukan muatan ini tidak laindisebabkan oleh pergerakan arus difusi yang terjadibersamaan. Adanya penumpukan muatan ini lemudianakan menyebabkan munculnya medan listrik padadaerah deplesi. Medan listrik ini mampu menggerakkanhole-hole minoritas pada tipe-n menuju tipe-p danelektron minoritas dari tipe-p menuju tipe-n. Arus yang

berlawanan dengan arus difusi ini kemudian dinamakandengan arus drift . Pada keadaan kesetimbangan arusdrift ini memiliki nilai yang sama besar dengan arusdifusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus yang

mengalir pada divais ini.


49/50



50/50


Namun, ketika semikonduktor sambungan p-n inidisinari maka jumlah elektron minoritas pada tipe-pdan hole pada tipe-n akan bertambah banyak. Hal ini

akan mengakibatkan arus drift menjadi lebih besar.Pada suatu temperatur dan intensitas tertentu arus inimampu mengatasi arus difusi yang muncul akibatperbedaan konsentrasi pembawa muatan. Sehingga

secara keseluruhan muncul arus pada sambungansemikonduktor ini. Arus drift inilah yang kemudiandimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagaiarus listrik.

Ppt Tugas 8 Febri Yenti (1301600)

Documents

Transcript of Ppt Tugas 8 Febri Yenti (1301600)