SEMIKONDUKTOR

OLEH NAMA : CHARLES PURBA NO BP : 1210952042 TEKNIK ELEKTRO BP GENAP

Pembahasan

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK.

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK.

PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP KONDUKTIVITAS.

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

Semikonduktor intrinsik adalah material

semikonduktor yang murni, belum

bercampur dengan atom-atom lain.

Material semikonduktor murni berada

pada golongan IV tabel periodik.

Elemen yang banyak dipakai untuk bahan

semikonduktor adalah Silikon (Si) dan

Germanium (Ge).

Kristal Silikon dan Diagram Energi Band

Sejauh ini material semikonduktor yang mendominasi aplikasi adalah Silikon.

Konfigurasi elektron Si adalah [Ne]3s23p2.

Silikon memiliki 4 elektron valensi dan dalam keadaan murni antar atom satu dengan atom lain berikatan secara kovalen.

Gambar Ikatan Kovalen Pada Atom Si

Garis melambangkan ikatan kovalen yang terjadi dimana masing-masing atom menyumbangkan 1 elektron

Sebuah ilustrasi dua dimensi sederhana dari sebuah atom Si dengan empat orbital hibrida T

(b) Sebuah pandangan dua dimensi yang disederhanakan dari suatu wilayah kristal Si menunjukkan ikatan kovalen.

(c) Diagram pita energi pada nol mutlak suhu.

Elektron dan Hole

State yang kosong pada semokonduktor terdapat pada pita konduksi (conduction ban, CB)

Suatu elektron yang berada pada pita valensi dapat memperoleh tambahan energi dan masuk ke pita konduksi.

Besar energi minimum yang diperlukan adalah sebesar gap (Eg). Energi ini diperoleh dari photon dan energi thermal atau energi dari medan listrik.

Pada saat suatu elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi maka pada pita valensi akan muncul daerah yang kosong yang akan membawa muatan positif, yaitu hole.

(a) Photon mengeksitasi elektron. (b) Photon memutus ikatan atom.

Diagram Pemunculan Pasangan Elektron dan hole

Konduksi pada Semikonduktor Intrinsik

Ketika medan listrik diberikan maka baik elektron maupun hole akan berinteraksi dengan medan.

Elektron akan bergerak berlawanan dengan medan dan hole akan bergerak searah medan.

(a) Sebuah ilustrasi dari drift dalam Ex (b) Penggunaan

Ketika medan listrik adalah diterapkan, elektron di CB dan lubang di VB dapat melayang dan berkontribusi pada konduktivitas.

Karena baik elektron maupun hole keduanya berada pada semokonduktor intrinsik maka keduanya akan berkontribusi terhadap arus listrik:

Dengan konduktivitas semikonduktor :

Dimana n adalah konsentrasi elektron pada pita konduksi dan p adalah kerapatan hole pada pita valensi.

Dalam keadaan setimbang, maka terpenuhi keadaan :

Dimana nilai ni untuk beberapa

semikonduktor telah ditentukan, misalnya Si = 1x1010 dan Ge = 2x1013

(a)Diagram pita energi. (b)Kerapatan state. (c)Distribusi Fermi-Dirac. (d)Kerapatan pembawa muatan.

Ilustrasi pita konduksi dan pita valensi pada semikonduktor intrinsik

Kerapatan state yang dapat diisi oleh pembawa muatan untuk pita konduksi dan pita valensi dalam semikonduktor :

dan

Dimana :

m= massa efektif pembawa muatan.

h = konstanta Planck

Pada diagram pita energi kita temukan energi Fermi diantara pita valensi dan pita konduksi.

Posisi energi Fermi dalam diagram pita energi :

Selanjutnya dari persamaan ini didapat :

dan

Bila Nc=Nv dan me=mh maka :

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor intrinsik yang ditambahkan atom yang berasal dari golongan selain golongan IV, untuk mendapatkan konduktivitas tertentu.

Penambahan atom tersebut dinamakan Doping.

Semikonduktor ekstrinsik terbagi atas beberapa jenis :

1. Tipe p

2. Tipe n

Semikonduktor Tipe p

Semikonduktor tipe p adalah semikonduktor yang telah didoping dengan atom golongan III (Ba, Al, Ga dan In)

Atom golongan III yang ditambahkan ke dalam semikonduktor intrinsik disebut dengan akseptor karena kekurangan satu elektron untuk dapat berikatan kovalen dengan atom semokonduktor intrinsik.

Pembawa muatan mayoritas adalah hole tyang bermuatan positif. Contoghnya Si didop dengan B

Doping Si dengan B

(b) (a)

(a) Atom B diantara atom Si. (b) diagram pita energi.

Besar energi akseptor untuk Si dengan beberaa dopant :

Konduktivitas semokonduktor tipe p :

Dopan Energi (eV)

Donor

P 0,045

As 0,054

Sb 0,039

Akseptor

B 0,045

Al 0,057

Ga 0,072

Semikonduktor Tipe n

Semikonduktor tipe n adalah semikonduktor yang telah didoping dengan atom golongan V ( Sb ).

Penambahan atom golongan V akan menambah elektron konduksi, karena perbedaan tingkat energi dari semikondutor intrinsik dengan atom golongan V sangat dekat.

Doping Si dengan atom As Diagram pita energi

Konduktivitas semikonduktor tipe n menjadi :

Pengaruh temperatur

Konduktivitas semikonduktor dipengaruhi oleh temperatur dengan dua cara : Perubahan konsentrasi akibat perubahan

temperatur

Perubaha mobilitas pembawa muatan akibat perubahan temperatur

Perubahan konsentrasi pembawa muatan akibat kenaikan temperatur

Bila temperatur dinaikkan maka energi termal juga naik, beberapa atom donor mendonorkan elektron ke pita konduksi (gambar a)

Konsentrasi elektron konduksi pada temperatur relatif diberkan oleh :

Bila temperatur dinaikkan maka energi termal yang diterima elektron semakin besar dan pada kondisi tertentu semua atom donor telah terionisasi untuk memberikan satu elektron ke pita konduksi seperti pada gambar (5.14 b). Kondisi ini relatif stabil untuk range yang cukup besar.

Bila temperatur dinaikkan lagi ke tingkat yang sangat tinggi eletron dari pita valensi semikonduktor dapat tereksitasi ke pita konduksi menurut persamaan

Secara digramatic hubungan antara kerapatan pembawa muatan dan temperatur dilukiskan pada gambar berikut :

Drift Mobility: Temperature and Impurity Dependence

Pada temperatr tinggi getaran kisi atom dapat menentukan jarak bebas sehingga menurunkan mobilitas

Plot logaritmatik dari mobilitas elektron sebagai fungsi dan temepratur

Terlihat bahwa mobilitas menurun dengan kenaikan temperatur walaupun tidak linier dan menunjukkan harga maksimum pada temperatur tertentu

Ketergantungan konduktifitas suhu

Konduktivitas rendah pada temperatur rendah , konduktifitas naik dengan kenaikan temperatur dan mencapai harga yang relatif konstan pada suatu range temperatur tertentu,dan naik pada temperatur yang sangat tinggi.

Degenerate and Nondegenerate Semiconductors

Ekspresi umum eksponensial untuk konsentrasi elektron dalam CB adalah

semikonduktor yang n Nc atau p >> Nv disebut degenerated semikonduktor.

RECOMBINATION AND MINORITY CARRIER INJECTION

Ketika elektron bebas, sekitar kristal CB, "bertemu sebuah lubang , lubang itu akan diisi oleh elektron bebas tersebut. Hal ini diKarenakan adanya perbedaan energi. Prosees ini disebut recombination

Direct recombination

Recombination dan traping

Pada gambar (a) Rekombinasi pada Si melalui pusat rekombinasi yang memiliki tingkat energi lokal (Er) di celah pita tersebut, biasanya dekat bagian tengah.

Pada gambar (b) penagkapan (trapping) elektron oleh pusat perangkap . Sebuah pusat perangkap memiliki tingkat energi lokal dalam celah pita.

Minority carrier lifetime

Yaitu waktu yang dibutuhkan untuk recombinasi antara lubang (hole dengan elektron)

waktu rekombinasi tergantung pada 1. material semikonduktor, 2. pengotor, 3. cacat kristal, 4. suhu, dan sebagainya,

Difusi dan Konduksi

Terjadi jika terdapat distribusi pembawa muatan tak homogen

Kuantitas aliran pembawa muatan dapat dirumuskan :

Dengan demikian rapat arus akibat difusi adalah

Hukum I fick untuk kuantifikasi pembawa muatan adalah :

Profil konsentrasi elektron dan kejadian difusi

Dalam hal elektron maka rapat arus akibat difusi adalah

Dan untuk hole adalah

Rapat arus total adalah

Persamaan kontiniutas

untuk menentukan konsentrasi pembawa pada setiap titik kita perlu untuk memecahkan kontinuitas persamaan, yang didasarkan pada total muatan dalam semikonduktor

Persamaan kontiniutas untuk hole :

Solusi dari persamaan kontinuitas bergantung pada kondisi awal dan kondisi batas.Dengan demikian, persamaan kontinuitas menjadi

Steady-State persamaan kontiniutas

Jika waktu derivatif menjadi nol. Maka persamaan kontiniutas menjadi :

PENYERAPAN OPTIK

Misalkan I0 adalah intensitas sinar foton insiden pada material semikonduktor. Dengan demikian, I0 adalah energi per satuan luas per satuan waktu. Maka :

koefisien penyerapan semikonduktordidefinisikan oleh

Jika kita menintegrasikan persamaan diatas,didapat hukum Beer-Lambert

PlEZORESISTIVITY

SCHOTTKY JUNCTION, Schottky Diode

Dioda Schottky (diambil dari nama seorang ahli fisika Jerman Walter H. Schottky ; juga dikenal sebagai diode pembawa panas) adalah diode semikonduktor dengan tegangan rendah.

Bagi elektron uttuk bergerak dari ogam ke smikonduktor harus melawn potenial ghalang yang disebut dengan schottky barrier sebesar

Pada kondisi open circuit secara netto tak ada arus yang mengalir. Aliran pada sambugan dapat dipecah menjadi dua yaitu komponen dari logam ke semikonduktor

Aliran dari semikonduktor ke logam yaitu :

Pada kondisi seimbang :

Simbol dioda Schottky :

Diagram energi schottky

a.Bias maju (kiri)

b.Bias mundur (kanan)

KONTAK OHMIK DAN PENDINGIN THERMOELECTRIC

Kontak ohmik adalah persimpangan antara logam dan semikonduktor yang tidak membatasi aliran arus

Gambar diatas menunjukan pembentukan kontak

ohmik antara logam dan semikonduktor tipe-n.

KONTAK OHMIK DAN PENDINGIN THERMOELECTRIC

Pada gambar tadi ,daerah dekat persimpangan di mana terdapat kelebihan elektron disebut sebagai daerah akumulasi.

Salah satu aplikasi yang menarik dan penting dari semikonduktor adalah dalam termoelektrik, atau Peltier, perangkat, yang mana memungkinkan volume yang kecil untuk didinginkan dengan direct current.

Bila dua buah metal atau bahan semi konduktor yang berbeda dihubungkan dan dialiri arus, maka akan terjadi perbedaan suhu hal ini disebut dengan efek peltier