ELEKTRONIKA
Nama :Rahmat Fajar
No. Bp :1510961038
Jurusan :Teknik Elektro
Fakultas :Teknik
SEMI KONDUKTOR
Semikoduktor adalah suatu bahan yang banyak dipakai dalam pembuatan komponen dasar elektronika, seperti Dioda, Transistor, JFET, MOSFET sampai pada IC (Integrated Circuits). Bahan Silikon dan Germanium yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika karena lebih stabil pada suhu tinggi
1.1
Teori
Atom
Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri
atas proton, elektron serta neutron.
Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan
menghasilkan bahwa sebagian besar masa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti
atom (di tengah-tengah atom).
Atom terdiri atas nukleus (proton dan neutron) dengan elektron-elektron yang bergerak di
sekitas nukleus yang menyerupai sistem tata surya.
Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan
negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan.
Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa Elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas
beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom
seperti gambar 1.
Gambar 1 Orbit-orbit elektron
Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit
maka makin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan orbit atom dengan penamaan mulai huruf K
sampai Q seperti gambar 2.
Gambar 2 Model Bohr menyatakan orbit
atom dengan huruf K s/d Q
1.2
Struktur atom bahan semirondurtor
Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan
semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron
valensi terikat erat pada tempatnya.
Elektron valensi adalah elektron-elektron yang
terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur.
Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon
memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan
seterusnya, seperti tabel 1. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor
dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium,
fosfor, dan lain-lain.
Tabel 1
Susunan Elektron pada beberapa Atom
Nama Unsur
|
Lingkaran orbit
|
Jumlah elektron
|
Elektron valensi
|
||||||
K
|
L
|
M
|
N
|
O
|
P
|
Q
|
|||
Boron
|
2
|
3
|
5
|
3
|
|||||
Silikon
|
2
|
8
|
4
|
14
|
4
|
||||
Fosfor
|
2
|
8
|
5
|
15
|
5
|
||||
Galium
|
2
|
8
|
18
|
3
|
31
|
3
|
|||
Germanium
|
2
|
8
|
18
|
4
|
32
|
4
|
|||
Arsenikum
|
2
|
8
|
18
|
5
|
33
|
5
|
|||
Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi
membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan
yang bervalensi 5 (pentavalen) berfungsi
membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).
Contoh
:
Jika sebuah
silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya
disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif.
Sedangkan jika didoping dengan boron atau
galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor
tipe P karena memiliki muatan listrik positif.
1.3
Struktur atom silikon dan germanium
Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor
yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :
a.
lebih stabil pada suhu tinggi,
b.
silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada germanium (0,3 V).
c.
Jumlah
elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.
d.
memiliki elektron valensi yang
sama, yaitu 4.
Gambar 3
Struktur atom silikon
Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon
menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan
negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom
silikon dengan empat elektro valensi dan
+4 yang artinya 4 muatan positif proton.
Gambar 4 Struktur Atom Silikon dengan Elektron Valensinya
Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya
mempunyai jumlah elektron 8. Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi
atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan
sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon akan menarik empat elektron dari empat atom
tetangganya sehingga membentuk kristal seperti
gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang
teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.
Gambar 5 Struktur Irisan Kristal Silikon
Beberapa ikatan
kovalen akan pecah karena pengaruh panas.. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah
sehingga menghasilkan elektron bebas.
Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas
disebut energi gap (Eg). Adapun hubungan antara elektro dan kulit orbit
adalah seperti gambar 6.
Gambar 6 Hubungan antara elektron dan kulit orbit
Hukum dasar hubungan antara elektron dan kulit orbit:
1. Elektron tidak dapat berada
antara dua kulit orbit.
2. Elektron-elektron pada suatu
kulit orbit punya suatu rentang tenaga.
3. Elektron perlu cukup tenaga
untuk melompat ke kulit orbit yang lain.
Apabila ikatan kovelen pecah maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron
bebas. Elektron
bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang
seperti gambar 7.
Gambar 7 Elektron lepas akibat pecahnya ikatan kovalen
Pada
suhu 0K tidak ada elektro yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke
bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan EG yang cukup dapat
membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti
gambar 8 dan gambar 9.
Gambar 8 Bidang tenaga kristal pada suku 0K
Gambar 9
Bidang tenaga Kristal pada suhu agak tinggi
Arah aliran elektron seperti gambar 10 maka kebalikannya akan membuat
arah aliran hole.
Gambar 10 Mekanisme konduksi lobang
1.4
Semikonduktor
jenis n
Gambar 11 menunjukkan
bahan semikonduktor
jenis n dimana diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5 seperti Fosfor .
Gambar 11 Terjadinya elektron bebas pada semikonduktor jenis n
Gambar 12 Arus tenaga elektron valensi atom donor
Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai
terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gamabr
12 diatas.
1.5
Semikonduktor
jenis p
Gamabr 13 menunjukkan bahan semikonduktor tipe p dimana diperoleh dengan
doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga).
Gambar 13 Terjadinya hole pada semikonduktor tipe p
Gambar 14 Arus tenaga elektron valensi atom akseptor
Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai
terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar
14 diatas.
