[Makalah] Bahan Semikonduktor
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nhingz, BLOG--Dalam
aktifitas kita sebagai mahasiswa pendidikan fisika, didalam laboratorium ketika
kita melakukan suatu eksperimen pastinya tidak terlepas dari penggunaan
alat-alat elektronika. Alat-alat elektronika alah satunya yaitu dioda. Dioda
merupakan bahan yang tersusun atas semikonduktor tipe-P dan tipe-N.
Bahan
semikonduktor merupakan bahan yang banyak di gunakan dalam pembuatan
komponen-kompenen elektronika yaitu kristal silikon. Dahulu orang juga
menggunakan unsur germanium. Kedua unsur
itu merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang
terbentuk dari unsur galoium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok
IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor, krital
ini banyak digunakan untuk membuat lampu LED, yang dipakai untuk lampu penunjuk
dan laser dioda. Kristal GaSa juga digunakan untuk membuat transistor yang
dapat bekerja hingga daerah frekuensi tinggi, yaitu dalam daerah gelombang
mikro.
Pada
umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0 C dan pada
suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor intrinsik (murni),
yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja. Perlu
diketahu bahwa semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan dioda dan
transistor terdiri dari campuran bahan
semikonduktor instrinsik dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Sehingga
semikonduktor yang dihasilkan adalah semikonduktor ekstrinsik.
B. Rumusan Masalah
Rumusan
masalah yang diangkat pada pembuatan makalah ini yaitu sebagai berikut:
1. Apa definisi dari
semikonduktor?
2. Sebutkan jenis-jenis dari
semikonduktor?
3. Bagaimana proses generasi
dan rekombinasi?
4. Bagaimanakah kerapatan arus
difusi?
C. Tujuan
Tujuan dalam pembuatan makalah ini yaitu; untuk
mengetahui arti semikonduktor, jenis-jenis semikonduktor, proses generasi dan
rekombinasi, serta kerapatan arus difusi.
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengertian Bahan Semikonduktor
1. Definisi
I
·
Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis(ρ) antara konduktor dan isolator
yakni sebesar10-6 s.d. 104 ohm.m
·
Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator.
Bahan
|
Hambatan jenis (Ohm.m)
|
Sifat
|
Tembaga
|
1,7
x 10-8
|
Konduktor
|
Silikon 300K
|
2,3
x 103
|
Semikonduktor
|
Gelas
|
7,0
x 106
|
Isolator
|
2. Definisi II
·
Bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atauenergy gap (EG) yang relatif kecil
kira-kira sebesar1 eV
·
Bahan-bahanSemikonduktor
a.
TRIVALENT: logam-logam yang memiliki
atom-atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In).
b. TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah
elektron terluar 4 buah seperti Silikon
(Si)dan Germanium (Ge).
c. PENTAVALENT: logam-logamyang memiliki atom-atom dengan jumlah
elektron terluar 5 buah seperti Fosfor
(P), Arsenikum(As), dan Antimon(Sb).
Contohnya:
Ø
Bahan
yang paling banyak digunakan adalah Sidan Ge.
Ø
Jumlah
elektron Si14 buah
Ø
Jumlah
elektron Ge 32 buah
Ø
Jumlah
elektron valensi (elektron terluar) Si maupun Ge masing-masing 4 buah
Ø
Jenis
ikatan kovalen
B. Jenis-Jenis
Semikonduktor
1.
Semikonduktor Intrinsik (murni)
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor
yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam
tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon
dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah
elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 2.1 memperlihatkan bentuk
ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak,
elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat
elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
 |
| Gambar 2.1. Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi |
Energi yang diperlukan mtuk
memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV
untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai
energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dariikatan dan tereksitasi dari
pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar 2.2). Besarya
energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita
konduksi ini disebut energi terlarang (energy
gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan
atau lubang (hole). Pada daerah
dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah
yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan
inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor
murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang
tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah
sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
 |
| Gambar 2.2. Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus. |
Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat
arus dinyatakan sebagai:
J npqn
p (1)
Dimana:
n dan p = konnsentrasi elektron dan lubang (m-3)
n dan
p = mobilitas elektron dan
lubang (m2 V-1 s-1)
n p q n p = konduktivitas (S cm-1)
Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara
serentak, maka pada
semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah
elektron atau dituliskan
sebagai
i n p n
(.2)
dimana i n disebut
sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa properti dasar silikon dan
germanium diperlihatkan pada tabel 2.1.
Properti
|
Silikon
|
Germanium
|
Energi terlarang/gap (eV)
|
1,1
|
0,67
|
Mobilitas elektron, (m2V-1s-1
)
|
0,135
|
0,39
|
Mobilitas lubang, (m2V-1s-1 )
|
0,048
|
0,19
|
Konsentrasi intrinsik, ni
(m-3 )
|
1,5 ´ 1016
|
2,4 ´ 1019
|
Resistivitas intrinsik,
( 9 m)
|
2300
|
0,46
|
2. Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)
Kita dapat memasukkan pengotor
berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi
doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2.3). Elemen
semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada
tabel 2.3.
Tabel
2.3 Elemen semikonduktor pada tabel periodik
a. Semikonduktor
tipe-n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan
sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic)
pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron
valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom
pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat
elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa
sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 2.3). Dengan adanya energi
thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap
menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan
dari proses pengotoran 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 2.3.
 |
Gambar 2.3. Struktur
kristal
silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima
menggantikan posisi salah satu
atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor
tipe-n, perhatikan letak tingkat energi
atom donor. |
b. Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang sama seperti
pada semikonduktor tipe-n,
semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium,
boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara
efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen
menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan 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 menerima elektron, maka
atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).
C. Generasi dan Rekombinasi
Proses generasi (timbulnya
pasangan elektron-lubang per detik permeter kubik) tergantung pada jenis bahan dan
temperatur. Energi yang diperlukan untuk proses generasi dinyatakan dalam
elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur T dinyatakan dengan kT,
dimana k adalah konstanta
Boltzmann. Analisa secara statistik menunjukkan bahwa probabilitas sebuah
elektron valensi menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan e eVG kT - / . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggi maka laju generasi termal
akan tinggi.
Pada semikonduktor, elektron
atau lubang yang bergerak cenderung mengadakan rekombinasi dan menghilang. Laju
rekombinasi (R), dalam pasangan
elektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang
ada. Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya R akan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam
jumlah yang banyak. Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikit
lubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangat tinggi. Secara
umum dapat dituliskan:
R = r n p (3)
dimana r menyatakan
konstanta proporsionalitas bahan.
Dalam kondisi setimbang,
besamya laju generasi adalah sama dengan besarnya laju rekombinasi. Pada
semikonduktor murni (silikon atau germanium) berlaku
g = g = R = r n p = r n (4)
atau
i n p = n (.5)
atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan
lubang menghasilkan suatu konstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses
doping), yang lain harus berkurang. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada
semikonduktor murni, praktis semua atom donor atau aseptor terionisasi pada
suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n,
konsentrasi atom donor ND>> ni,
dengan konsentrasi elektron sebesar
n D n @ N (6)
D. Difusi
Jika konsentrasi doping tidak
merata (nonuniform) maka akan
didapat konsentrasi partikel yang
bermuatan yang tidak merata juga, sehingga kemungkinan terjadi mekanisme
gerakan muatan tersebut melalui difusi. Dalam hal ini gerakan partiket harus
random dan terdapat gradien konsentrasi. Misalnya konsentrasi elektron pada
salah satu sisi bidang lebih besar dibandingkan sisi yang lain, sedangkan
elektron bergerak secara random, maka akan terjadi gerakan elektron dari sisi
yang lebih padat ke sisi yang kurang padat. Gerakan muatan ini menghasilkan
“arus difusi” yang besamya sebanding dengan gradien konsentrasi dn/dx. Kerapatan arus difusi karena
aliran elektron diberikan oleh,
dx dn --J qDn n (7)
dimana Dn =
konstanta difusi untuk elektron (m2s-1). Jika dn/dx berharga positif, gerakan elektron pada arah -x menghasilkan arus positif pada
arah +x. Dengan cara yang sama
untuk lubang diperoleh
dx dp---J qDp p = - (8)
Perlu dicatat bahwa masing-masing partikel yang bermuatan
bergerak menjauhi bagian yang mempunyai konsentrasi lebih tinggi, namun gerakan
tersebut bukan karena adanya gaya tolak. Seperti halnya pada mobilitas, difusi
merupakan penomena statistik sehingga berlaku persamaan Einstein
Kt q D Dp p n n = = m m (9)
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang ditarik pada
pembuatan makalah ini yaitu sebagai berikut:
1. Semikonduktor adalah Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis(ρ) antara konduktor dan isolator
yakni sebesar10-6 s.d. 104 ohm.m.
2. Jenis-Jenis Semikonduktor
a. Semikonduktor Intrinsik (murni)
b. Semikonduktor
Ekstrinsik (tak murni)
3. Generasi dan Rekombinasi
4. Difusi
B. Saran
Kami
sadar dalam penyusunan makalah ini masih sangat jauh dari kesempurnaan,
maka dari itu saran dan bimbingan dari
para bapak ibu dosen selaku pembina, kami harapkan demi kesempurnaan karya
penulis selanjutnya.
DAFTAR
PUSTAKA
Http://Id.Shvoong.Com/2010/Macam-Macam-Dioda-Html. 16 Desember 2011.
Http://webcache.googleusercontent/2006/-Semikonduktor-html. 16 Desember 2011.
Saleh, Muhammad. Dkk. 2008. Dasar-Dasar Elektronika.
Makassar: Universitas Negeri Makassar.
Sutrisno. 1996. Elektronika; Teori dan Penerapannya.
Bandung: Institut Tekhnologi Bandung.
3 comments:
trimakasih buat makalah.a. sangat membantu :D
mana contoh soalnya cuy
Visit Us ^_^
Posting Komentar