APLIKASI SEMIKONDUKTOR PADA TRANSISTOR DAN DIODA
TUGAS PAPER BAHAN LISTRIK
OLEH :
PUTU RUSDI ARIAWAN ARIAWAN (0804405050) (0804405050)
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN - BALI 2008
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadapan IDA SANG HYANG WIDHI WASA, karena berkat rahmat-Nyalah kami dapat menyelesaikan laporan tugas paper bahan listrik
saya
dengan
judul
:
APLIKASI
SEMIKONDUKTOR
PADA
TRANSISTOR DAN DIODA tepat pada waktunya. Adapun tujuan dari penulisan
ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah Bahan Listrik pada Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Paper ini merupakan salah satu sarana mengembangkan ilmu pengetahuan di bidang elektronika, tepatnya dalam industri elektronika,. Sehingga pembaca dapat mengetahui, mengerti, memahami dan mengembangkan ilmu pengetahuan yang didapatkan dari paper ini dalam kehidupannya sehari-hari Penyajian materi dalam ringkasan ini saya sesuaikan dan usahakan tidak jauh menyimpang, sebagaimana yang tertulis dalam buku Bahan-Bahan Listrik Untuk Politeknik karya Drs. Muhaimin serta beberapa beberapa sumber sumber online (internet) (internet) yang kami kami gunakan sebagai referensi, sehingga nantinya melalui paper ini para membaca dapat lebih mudah memahami isi buku ini dalam pembelajaran Bahan Listrik. Kami menyadari makalah kami ini masih banyak kekurangan untuk itulah kritik dan saran dari pembaca yang baik dan budiman sangat kami harapkan., tidak ada manusia yang sempurna. Akhir kata saya ucapkan terima kasih dan semoga paper ini bermanfaat bagi kita semua
Denpasar , Mei 2008 2008
Penyusun
PUTU RUSDI ARIAWAN
2
ABSTRAK
Bahan semikonduktor adalah bahan yang dipakai untuk pembuatan komponen elektronika.Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni . . Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor.. konduktor.. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Aplikasi bahan semikonduktor pada umumnya digunakan sebagai dioda dan transistor.Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Dioda atau diode adalah sambungan bahan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah.
PUTU RUSDI ARIAWAN
3
BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar belakang
Belakangan ini penggunaan semikonduktor mempunyai peranan yang sangat penting di bidang elektronika yang penggunaannya tidak terbatas pada arus lemah saja. Suatu hal yang penting untuk memahami konduksi elektronik baik pada bahan konduktor maupun pada semikonduktor adalah susunan pita atom. Pada bahan-bahan terdapat pita konduksi maupun pita valensi. Pada konduktor kedua pita tersebut saling menumpuk, pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Sedangkan pada semikonduktor jarak keduanya tidak terlalu jauh dan ini memungkinkan terjadinya tumpang tindih jika dipengaruhi misalnya: panas, medan magnet, dan tegangan yang cukup tinggi. Semikonduktor adalah bahan penghantar arus listrik yang terbatas. Bahan ini bisa menghantarkan dalam jumlah tertentu atau dalam keadaan tertentu. Bahan yang termasuk jenis ini adalah germanium, silikon dan karbon. Transistor, dioda dan komponen aktif lainnya biasanya menggunakan germanium atau silikon, sedangkan untuk perangkat pasif (seperti resistor) menggunakan karbon. Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant . Doping
sejumlah
besar
ke
semikonduktor
dapat
meningkatkan
konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam.
1.2.
Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan suatu permasalahan yaitu 1. Apa saja bahan baku apa saja yang termasuk dalam semikonduktor? 2. Bagaimana proses produksin bahan baku tersebut menjadi semikonduktor? 3. Apa saja sifat-sifat yang terdapat dalam semikonduktor ? 4. Apa saja aplikasi dari bahan semikonduktor tersebut?
PUTU RUSDI ARIAWAN
4
1.3.
Tujuan Pembuatan
Penulisan paper atau makalah ini bertujuan untuk agar kita lebih mengetahui apa itu semikonduktor, bagaimana cara memproduksi semikonduktor, sifat-sifat apa saja yang terdapat pada semikonduktor, dan bagaimana aplikasi dari bahan semikonduktor dalam kehidupan kita sehari-hari.
PUTU RUSDI ARIAWAN
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bahan semikonduktor merupakan bahan yang dipakai dalam pembuatan komponen elektronika seperti resistor, dioda, transistor, kapasitor, dan lain sebagainya. Antara bahan yang satu dengan yang lainnya mempunyai sifat dasar dan karakteristik yang berbeda. Sebelum mulai mempelajari komponen elektronika terlebih dahulu akan dipelajari tentang sifat dasar bahan semikonduktor sebagai berikut.
2.1. TEORI ATOM
Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron, serta neutron. Inti atom adalah sebagian besar massa atom dan semua muatan positif berkumpul pada sebuah titik di tengah-tengah atom. Atom terdiri atas nukleus dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitar nukleus yang menyerupai sistem tata surya. Nuklesu tersebut bermuatan positif dan merupakan inti atom, yang menjadi pusat hampir semua massa atom. Inti atom tersebut berisi proton dan neutron, dengan dengan massa kira0kira 2000 kali massa elektron, sedangkan massa proton sama dengan massa neutron. Elektron memiliki sifat tarik menarik dengan proton dan tolak menolak dengan sesama elektron. Dari dal ini maka timbul konsep muatan listrik. Elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif, dan neutron tidak bermuatan atau netral.Menurut Niels Bohr (1913), elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom. Atom dan lingkaran orbit electron K, L, M, N, O, P, Q adalah kulit atau orbit elektron. Pada setiap kulit elektron hanya bergerak elektron-elektron dengan jumlah elektron maksimum. Jumlah elektron maksimum kulit K adalah 2, kulit L adalah 8, kulit M adalah 18, dst.
PUTU RUSDI ARIAWAN
6
2.2. STRUKTUR ATOM BAHAN SEMIKONDUKTOR
Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (273°C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur. Susunan elektron pada beberapa atom: NAMA UNSUR LINGKARAN ORBIT JUMLAH ELEKTRON ELEKTRON VALENSI K L M N O P Q born
2
3
alumunium silikon
-
2 2
-
8
3
4
-
-
-
-
15
5
-
31
3
18
2
8
2
2
3
14
8
barium
13
-
2
2
-
-
galium
antimon
3
-
5
2
-
5
-
8
indium
-
-
4
2
arsenikum
-
8
fosfor
germanium
-
8 8
3
8
4
-
-
-
32
4
18
5
-
-
-
33
5
18 18
-
18
18
8
-
18
3
-
-
49
3
18
5
-
-
51
5
2
-
56
2
18
8
Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak digunakan daripada
Gemanium
karena
sifatnya
yang
lebih
stabil
pada
suhu
tinggi.
2.3. SIFAT KONDUKTOR, ISOLATOR, DAN SEMIKONDUKTOR PADA PEMBUATAN KOMPONEN ELEKTRONIKA
Konduktor adalah bahan yang konduktivitasnya tinggi sehingga dapat mengalirkan listrik dengan baik. Konduktor sering disebut dengan penghantar karena dapat menghantarkan arus listrik. Contoh, tembaga, seng, alumunium, baja, dsb. Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik karena konduktivitasnya konduktivitasnya rendah. Contoh, plastik, kayu kering, karet, kain, dll. Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll. Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu: PUTU RUSDI ARIAWAN
7
1. jalur valensi. Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan atoatom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi. 2. jalur konduksi. Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik. 3. jalur larangan. Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi. Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.
2.4. ARUS PADA SEMIKONDUKTOR
Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi. Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik. Arus difusi adalah arus yang tidak disebabkan oleh adanya perbedaan tegangan, melainkan akibat gerak random dari pertikel-partikel bermuatan yang disebabkan oleh energi panas. Contohnya adalah elektron mengalir dari suatu tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai dicapainya suatu keseimbangan.
PUTU RUSDI ARIAWAN
8
BAB III METODELOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penulisan
Pembuatan tugas ini dilakukan di tempat tinggal saya yaitu di R.T Gotong Royong Wantilan II blok 8 no 1, Kuta Denpasar Bali.
3.2 Sumber Data
Data diperoleh melalui literatur-literatur yang berupa konsep dan aplikasi dari semikonduktor yang dikarang oleh, Budiona Ismail, Silaban Fatur serta sumber online (Internet). 3.3 Jenis Data
Data yang digunakan dalam menganalisis adalah data sekunder yang berasal dari kajian pustaka dengan data-data sebagai berikut : Bahan-bahan listrik untuk Politeknik Oleh : Drs.Muhaimin Dasar-dasar elektro teknik
Oleh : Silaban Fatur.
PUTU RUSDI ARIAWAN
9
BAB VI PEMBAHASAN
4.1
Bahan-bahan Semikonduktor
Bahan baku dari semikonduktor pada umumnya terdiri dari :
4.2
Tellurides / Susunan Tellurium
Alloys (MgSb2, ZnSb, Mg2Sn, CaSb,AlSb, GlSb)
Aluminium arsenide
Aluminium gallium arsenide
Boron nitrida
Cadmium sulfida
Cadmium selenide
Berlian
Gallium arsenide
Gallium nitrida
Germanium
Indium phosphide
Silicon
Silicon carbide
Silicon germanium
Zinc sulfida
Zinc selenide
Proses Produksi Dari Bahan Semikonduktor
Tiga
metoda
yang
berbeda
digunakan
dalam
pembuatan
rangkaian
semikonduktor. 1. Teknologi komponen diskrit Yaitu setiap rangkaian transistor, hambatan dan lain sebagainya adalah komponen individu. Kontruksi rangkaian dicapai dengan saling menghubungkan berbagai komponen tersebut yang biasanya menggunakan kawat individu yang dibungkus untuk membentuk hubungan- hubungan tersebut. Pembuatan komponen diskrit adalah cara mula-mula dan tradisional yang digunakan dalam kontruksi rangkaian. PUTU RUSDI ARIAWAN
10
2. Teknologi monolitik Yaitu dua golongan kontruksi rangkaian yang diintegrasi. 3. Teknologi Hibrida adalah sebuah gabungan dari teknologi komponen monolitik dan teknologi diskrit Teknologi rangkaian yang diintegrasi melibatkan penggunaan alat zat padat, hambatan dan kapasitor saja, dan teknologi monolitik dicirikan oleh penggunaan semikonduktor yang sama atau kepingan dan transistor. Khasnya maka rangkaian yang diintegrasi monolitik baik digunakan pada alat bipolar maupun alat MOS karena pembuatan pada keping yang sama sering kali tidak mungkin dilakukan. Gambar berikut melukiskan kontruksi hambatan monolitik dan kapasitor monolitik
Plat logam dan sentuhan
Sentuhan logam
A
SiO2
Plat logam ke pelat n+
SiO2 (dielektrik)
B
+
n
Hambatan P
n
Isolator n
Substrat p
Substrat p
kapasitor monolitik
Hambatan monolitik
Hambatan monolitik dibentuk oleh bahan jenis (n) dengan sentuhan logam yang berfungsi sebagai terminal Resistor untuk geometri sederhana yang diperlihatkan, maka resistansi R diberikan oleh : L
R
A
Dimana A= t x W maka persamaan tersebut menjadi L
R t
W
Sebuah metoda yang lazim untuk menunjukkan nilai resistansi dan luas pada keping yang ditutupi resistansi tersebut adalah menyatakan R dalam Ohm per kuadrat, karena t adalah uniform melalui luas hambatan maka kontruksi sebuah hambatan yang panjangnya dan lebarnya sama akan menghasilkan sebuah nilai R yang sama dengan Ohm per kuadrat. Kapasitor pada gambar tersebut adalah kapasitor plat sejajar dimana sentuhan logam dan lapisan jenis n membentuk plat-plat tersebut SiO 2 adalah isolator diantara plat-plat dan digunakan untuk memperbesar nilai kapasitans yang dapat diperoleh. Dalam kedua alat tersebut substrat jenis p digunakan sebagai pondasi pada
PUTU RUSDI ARIAWAN
11
komponen-komponen. Sambungan-sambungan p-n yang dibentuk selalu dibiaskan balik agar komponen tersebut diisolasi dari komponen lain pada keping. 4.3
Sifat-sifat yang Terdapat Dalam Semikonduktor
4.3.1 Sifat Kimia
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transisitor, dan sebuah IC ( Integrated Circuit ). Disebut semikonduktor karena bahan ini bukan konduktor murni bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut semikonduktor yang lebih baik sebab logam memliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehinga elektronnya dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam bentuk inti yang disebut nukleus. Diperlukan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron ke-29 berada pada orbit paling luar. Orbit terluar ini disebut elektron valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elekron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya jauh dari nukleus, ikatannya tidak terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron ini dapat lepas dari ikatannya. Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nukleus ke nukleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektronelektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Isolataor adalah atom yang memeliki valensi sebanyak 8 buah dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Sehingga yang termasuk semikonduktor adalah yang mempunyai elektron valensi antara 1 sampai dengan 8.
PUTU RUSDI ARIAWAN
12
4.3.2 Sifat Listrik 4.3.2.1 Konduktivitas
Pita-pita energi bahan-bahan semikonduktor seperti silikon dan germanium mirip seperti isolator yaitu pita konduksinya kosong. Perbedaanya adalah pita terlarang semikonduktor lebih sempit sehingga untuk memindahkan elektron-elektron dari pita valensi ke ke pita konduksi melelui pita terlarang terlarang hanya diperlukan diperlukan energi 1,1 eV untuk silicon dan 0,7 eV untuk Germanium. Karena pita terlarang tidak begitu lebar maka sejumlah elektron dari pita valensi dapat melompat ke pita konduksi walaupun pada suhu ruang. Oleh karena itu pada suhu ruang, semikonduktor masih dapat menghantarkan arus listrik walaupun tidak semudah konduktor. Dalam kristal semiokonduktor murni, keempat elektron valensi dari sebuah atom berikatan kovalen dengan empat buah elektron valensi terikat kuat pada atom dan diperlukan energi cukup besar agar sebuah elektron dapat memutuskan ikatan kovalennya menjadi ‘elektron bebas’ dan berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Oleh Karena itu pada suhu rendah, semikonduktor bersifat sebagai isolator. Berdasarkan cara pembuatannya, semikonduktor terbagi atas dua yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor murni yang belum dicampur atau dikotori dengan atom lain. Semikonduktor intrinsik bersifat sebagai isolator Karena memiliki pita konduksi yang kosong. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor murni yang diberi tambahan ekstra elektron bebas atau lubang-lubang yang berasal dari atom asing. Dengan pengertian lain semikonduktor ekstrinsik diperoleh dengan proses pengotoran (doping) terhadap semikonduktor ekstrinsik. Tujuan pengotoran adalah untuk meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Sebagi contoh pengotorann kristal. Silicon murni denagn rasio 1:10 juta mengurangi hambat jenis dari 60 kΩ cm menjadi 2 Ω mm.
4.3.2.2 Tahanan
4.3.3
Tahanan tembaga (Cu) adalah 1,7 μΩ
Tahanan Germanium (Ge) adalah 6,5 μΩ
Sifat Mekanik
Volume resistivity semikonduktor 10
PUTU RUSDI ARIAWAN
3
sampai dengan 10 8 Ω-cm
13
4.4
Aplikasi Semikonduktor
Alat Semikonduktor atau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium, dan Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor zaman sekarang telah menggantikan alat thermionik (seperti tabung hampa) hampa). Alat-alat semikonduktor ini menggunakan menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous state). Alat-alat semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentuk dicrete (potongan) seperti transistor, diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk terintegrasi dalam jumlah yang sangat besar dalam satu keping Silikon yang dinamakan Integrate Circuit (IC). Bila sebuah semikonduktor murni dan tidak ter- eksitasi oleh sebuah input seperti medan listrik dia mengijinkan hanya jumlah sangat kecil arus listrik untuk berada dalam dirinya, dan ia merupakan sebuah isolator. Alasan utama mengapa semikonduktor begitu berguna adalah konduktivitas semikonduktor yang dapat dimanipulasi dengan menambahkan ketidakmurnian (doping, dengan pemberian sebuah medan listrik, dikenai cahaya, atau dengan cara lain). CCD sebagai contoh, unit utama dalam kamera digital, bergantung pada kenyataan bahwa konduktivitas semikonduktor meningkat dengan terkenanya sinar. Operasi transistor tergantung konduktivitas semikonduktor semikonduktor yang dapat ditingkatkan dengan hadirnya sebuah medan listrik. Konduksi arus dalam sebuah semikonduktor terjadi melalui elektron yang dapat bergerak atau bebas dan lubang. Lubang ini, dapat diperlakukan sebagai muatan-positif yang merupakan lawan dari elektron yang bermuatan-negatif. Untuk mudahnya penjelasan elektron bebas disebut elektron, tetapi harus dimengerti bahwa mayoritas elektron dalam benda padat, tidak bebas, tidak menyumbang kepada konduktivitas. Bila sebuah kristal semikonduktor murni sempurna, tanpa ketidakmurnian, dan ditaruh di suhu yang mendekati nol mutlak dengan mutlak dengan tanpa eksitasi (yaitu, medan listrik atau cahaya), dia tidak akan berisi elektron bebas dan tidak ada lubang, dan oleh karena itu akan menjadi sebuah isolator sempurna. Pada suhu ruangan, eksitasi panas memproduksi beberapa elektron bebas dan lubang dalam pasangan-pasangan, tetapi kebanyakan kebanyakan semikonduktor pada suhu ruangan adalah isolator. Dengan mengkombinasikan bahan semikonduktor tipe P dan tipe N dengan berbagai cara, maka akan diperoleh peralatan semikonduktor yang dipergunakan PUTU RUSDI ARIAWAN
14
dalam elektronika modern. Peralatan semikonduktor tersebut antara lain Transistor, Diode, Diac, Triac dan sebagainya.
4.4.1
Transistor
Transistor merupakan pengkombinasian dari bahan semikondoktor. Ada beberapa jenis transistor, antara lain : 1. Junction Transistor Junction transistor merupakan kombinasi tiga lapis semikonduktor tidak
murni dari tipe P dan tipe N. Ada dua jenis junction transistor yaitu: a. Transistor P-N-P b. transistor N-P-N. Ada tiga tipe pengkombinasian pengkombinasian kedua tipe semikondutor yaitu: Alloy Junction
Ground Junction
P N
N
P
N
P
E
B
C
C
E
B
N P
E
Mesa dan Planner Transistor
N
B
C
Gambar 4.1 Jenis Junction J unction Transistor
Ada beberapa keunggulan dari penggunaan transistor dibanding dengan penggunaan penggunaan tabung vakum udara, antara lain: a. Ukurannya kecil b. Pemakaian dyanya kecil ( power consumption) c. Lebih murah dan lebih realiable (dapat dipercaya)
2. Transistor Tanpa Bias Pada gambar 3.4 a menunjukkan majority carrier sebelum bergerak melewati junction. Elekton bebas berdifusi melewati junction yang mana menghasilkan dua
PUTU RUSDI ARIAWAN
15
lapisan penggosongan (gambar 3.4.b). Untuk setiap lapisan penggosongan ini potensial barriernya sebesar kira-kira 0.7 V (untuk silikon) pada suhu 25º C (untuk transistor germanium 0.3 V). Ada tiga daerah yang mempunyai level doping yang berbeda, lapisan penggosongan penggosongan tidak mempunyai lebar yang sama, makin banyak suatu daerah di-dop, makin besar konsentrasi ion dekat junction. E
B
C
------ + + +
------
------ + + +
- - - - -- -
------ + + +
- - -- - - -
- - - - - -- + + +
- - - - -- -
N
P
N
(a)
E
B
C
-----+ -++-
+-----
-----+ -++-
+ - - - -
-----+ -++-
+-----
-----+
+-----
-+ +(b)
Gambar 4.2 Lapisan Penggosongan
3. Transistor dengan Bias Forward-Reverse a. Prinsip Kerja Pada gambar 3.5 menunjukkan bahwa diode emitter dibias forward dengan diode kolektor dibias reserve. Kondisi ini disebut Transistor Bias Forward-Reserve (FR).
Kita mengharapkan memperoleh arus emitter yang besar karena diode emitter dibias forward, dan kita tidak mengharapkan arus kolektor yang besar karena diode kolektor dibias reserve, tetapi dalam kenyataannya lain, malah kita memperolah arus kolektor yang besar.
PUTU RUSDI ARIAWAN
16
N
Banyak e
P
N
E
+
Banyak e
C B
VEB
Sedikit e
+ VCB
-
Gambar 4.3 Cara kerja Transistor Bias Forward-Reserve
Pada saat awal bias forward diberikan pada diode emitter, elektron-elektron dalam emitter belum memasuki basis. Jik kemudian V EB naik lebih besar daripada potensial barrier (> 0.7 Volt), maka banyak elektron-elektron emitter memasuki daerah basis. Elektron-elektron ini dalam basis dapat mengalir dalam dua arah, yang pertama kearah bawah basis yang tipis menuju basis dan kedua kearah junction kolektor menuju ke dalam daerah kolektor. Elektron yang mengalir ke bawah melalui daerah basis, mereka akan jatuh ke dalam hole-hole dan mengalami proses rekombinasi dengan hole basis, selanjutnya mengalir ke dalam kawat basis luar. Arus ini desebut arus rekombinasi dan arus ini kecil sekali. Hmpir kurang dari 5% arus yang diinjeksikan emitter akan mengalir ke bawah basis. Sedangkan arus emitter yang menuju ke arah kolektor, bias forward akan memaksa elektron emitter masuk ke daerah basis yang tipis terus menuju ke daerah penggosongan kolektor. Selanjutnya medan lapisan penggosongan kolektor akan mendorong arus elektron ke dalam daerah kolektor. Elektron ini akan melewati daerah kolektor terus menuju ke kawat kolektor. kolektor. Hampir lebih dari 95% arus diinjeksikan emitter akan mengalir ke kolektor.
Dari uraian diatas dapat diambil kesimpulan sebagai sebagai berikut: 1) Bias forward pada diode emitter akan mengandalkan jumlah elektron yang diinjeksi ke dalam basis. Makin besar potensial V EB, makin banyak elektron yang diinjeksi. 2) Bias reserve pada diode kolektor mempunyai pengaruh yang kecil terhadap banyaknya elektron yang memasuki kolektor. Dengan menaikkan V CB tidak akan banyak pengaruhnya terhadap jumlah elektron yang sampai pada lapisan penggosongan penggosongan kolektor.
PUTU RUSDI ARIAWAN
17
b. Simbol Transistor C
C
B
B
E
E
Jenis PNP
Jenis NPN
Gambar 4.4 Simbol-simbol Transistor
Dari gambar tersebut menunjukkan simbol-simbol transistor NPN dan PNP. Emitter mempunyai tanda panah, sedangkan kolektor tidak. Satu hal yang perlu diingat, bahwa tanda panah pada emitter menunjukkan arah arus konvensional emitter (arah arus konvensional berlawanan dengan arah arus elektron). Selain penggunaan transistor seperti diatas, transistor juga dapat digunakan sebagai rangkaian penguat. Bila suatu transistor akan digunakan sebagai penguat sinyal arus/tegangan, maka pada outputnya diberi tahanan beban (R L) dan pada inputnya dimasukkan sinyal yang akan dikuatkan. Sinyal input umumnya merupakn tegangan atau arus bolak-balik dan sebelum sinyal memasuki transistor biasanya dipasang
suatu
kondensator
yang
berfungsi
untuk
melakukan
sinyal
dan
mencegah/memblokir mencegah/memblokir tegangan searah (DC). Demikian pula pada bagian outputnya, tahanan beban akan digandeng di gandeng dengan suatu kondensator ke bagian selanjutnya dengan alasan yang sama. Ada tiga macam dasar rangkaian penguat, yaitu: a.
Common Base Amplifier
b.
Common Emitter Amplifier
c.
Common Collector Amplifier I
IC
I
C
E
IB R
R
S
L
V
CB
V
BE
Vs
V
CC
RS Vs
+ V
+
-
Common Base Amplifier
PUTU RUSDI ARIAWAN
BB
VEB
IE
VCE
VBB +
RL
V + CC
Common Emitter Amplifier
18
IE
IB IC RS
RL VCC + -
VCB
VEB
Vs
+ - VBB
Common Collector Amplifier
Gambar 4.5 Jenis rangkaian penguat
Untuk mengetahui gejala-gejala yang timbul di dalam rangkaian penguat terdapat karakteristik-karakteristik dari transistor. Karakteristik itu biasanya diberikan oleh pabrik pembuat transistor tersebut, yaitu: a. Karakteristik input, yaitu karakteristik yang menggambarkan hubungan antara arus input dengan tegangan input dengan suatu unsur output tertentu. b. Karakteristik output, yaitu karakteristik yang menggambarkan hubungan antara arus output dengan tegangan output pada suatu unsur input tertentu. c. Karakteristik gabungan antara karakteristik input dengan karakteristik output.
PUTU RUSDI ARIAWAN
19
4.4.2
Diode
Pada suhu ruangan, suatu semikonduktor tipe P mempunyai pembawa muatan sebagian besar berupa hole-hole sebagai hasil pemasukan tak-murnian, dan sebagian kecil berupa elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energi thermal. Dipihak lain, dalam semikonduktor tipe N pembawa muatan sebagian besar berupa elektronelektron bebas dan hanya mengandung sebagian kecil hole-hole. Jika kedua tipe semikonduktor tersebut digunakan secara terpisah, masing-masing tipe tidak lebih dari suatu penghambat (resistor) karbon. Akan tetapi apabila kedua tipe tersebut dihubungkan, maka hasilnya berupa suatu penghantar satu arah. Dan apabila kedua tipe tersebut digabungan maka akan menghasilkan sesuatu yang disebut
Diode
yang
merupakan singkatan dari di yang berarti dua dan ode yang artinya elektrode Maka arti dari diode adalah suatu piranti dua elektrode yang dapat mengalir arus pada arah tertentu. Adapun simbol dari diode itu sendiri yakni : A
K
Simbol Dioda
Ada beberapa tipe diode: 1. Tipe diode P-N dengan forward bias (pra-tegangan maju) P
N
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+
-
+
-
-
+
+
VT
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
-
Gambar 4.6 Type Dioda P-N dengan Forward bias (pra-tegangan maju)
Prinsip kerjanya yakni diode P-N disambungkan dengan baterai yang bersifat variable, dimana potensial positif dihubungkan ke tipe P dan potensial negatif
PUTU RUSDI ARIAWAN
20
dihubungkan dengan tipe N. Diumpamakan bahwa kontak-kontak A dan B adalah baik dan ideal, tanpa ada potensial kontak. Kita anggap potensial awal baterai adalah 0 volt, bila suatu elektron bebas dari tipe N ingin memasuki daerah barrier , elektron ini menghadapi tembok ion-ion negatif yang akan menolaknya kembali ke daerah N semula. Pada awalnya, tembok ion-ion negatif itu masih rendah (tipis) dan elektron-elektron bebas dari tipe N yang mempunyai energi yang cukup besar masih mampu menerobos dan mengatasi tembok tersebut. Namun hasil penerobosan ini akan menghasilkan pembentukan tembok ionion negatif yang baru, yang akibatnya tembok ion-ion negatif makin tinggi (tebal), sehingga energi elektron-elektron bebas ini tidak lagi cukup untuk mengatasi tolakan ion-ion negaitf tersebut. Apabila potensial baterai secara perlahan-lahan dinaikkan hingga mencapai potensial 0.7 V, maka elektron-elektron pada sisi N dekat persambungan akan memperoleh energi yang cukup besar untuk memasuki sisi P. Selanjutnya apabila potensial baterai tersebut dinaikkan kembali, maka kedua sisi kristal P dan N akan ada madan listrik yang akan mendorong hole-hole dari sisi P akan melewati persambungan dari kiri ke kanan dan elektron-elektron bebas dari sisi N akan melawati persambungan dari kanan ke kiri. Apabila potensial baterai diperbasar terus, maka suatu saat diode akan hangus, sebab arus yang mengalir terlampau besar. Selain daripada itu terdapat pula pengaliran arus karena penyusupan minority carriers yang disebabkan adanya suhu. Arus listrik yang disebabkan penyusupan minority carriers dinamakan arus diffusi, sedangkan arus karena adanya tekanan dari
medan listrik yaitu arus karena majority carriers dinamakan arus hantaran ( drift current atau conduction current ).
Jadi melalui persambungan terjadi pengaliran arus dengan mudah yang terdiri dari: 1. Majority carriers negatif dari kanan ke kiri hole dari kiri ke kanan 2. Majority carriers positif/ hole
3. Minority carriers positif dan negatif baik ke kanan maupun ke kiri Karena pengaliran arus di dalam forward bias ini dapat dilakukan dengan mudah, maka tahanan dari batang ini (tipe P dan tipe N) dalah kecil.
PUTU RUSDI ARIAWAN
21
2. Tipe diode P-N dengan Reversed bias (pra-tegangan balik) P
N
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+
-
+
-
-
-
+
VT
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Gambar 4.7 Type Dioda P-N dengan Reserved bias (pra-tegangan balik)
Seandainya potensial dari baterai dibuat sedemikian rupa sehingga tipe P mendapat potensial negatif dan tipe N mendapat potensial positif, maka majority carriers pada masing-masing tipe akan ditarik oleh potensial baterai, yaitu elektronelektron bebas bergerak ke kanan dan hole-hole bergerak ke kiri meninggalkan batang. Apabila ada kemungkinan arus I R mengalir maka arus ini semata-mata terdiri dari arus diffuse, jadi kecil sekali, sehingga batang dengan reversed bias hampir mengalirkan arus yang tidak ada artinya, umumnya berjumlah beberapa mikro-ampere saja atau dapat dikatakan tahanan batang besar. Arus ini dinamakan arus jenuh atau saturation current.
Apabila potensial reversed bias makin lama makin besar sehingga melampoi breakdown voltage, maka arus I R menjadi besar sekali mencapai tingkatan tertentu yang disebut Zener Level . Dengan adanya perilaku diode baik forward maupun reversed bias yang demikian, maka diode dapat dipakai sebagai penyearah arus bolak-balik.
Selain tipe diode diatas, ada juga beberapa macam diode lainnya l ainnya : a. Zener Diode Simbol :
A
K
Karakeristik : Mulai dari arus > I 3 zener diode akan memberikan tegangan yang konstan yaitu sebesar V Z. Gambar: PUTU RUSDI ARIAWAN
22
Fungsi :
1. Stabilisator tegangan 2. Sebagai clipper pada sirkit pulsa
b. Light Emitting Diode (LED) Simbol :
A
K
Karakeristik : Diode dibuat dari bahan Gallium Arsenit. Bila diode tersebut dialiri arus, maka LED akan menyala. Makin besar yang dialirkan, maka cahaya yang dipancarkan oleh LED makin terang. t erang. Gambar : Fungsi :
1. Display (perangkat/permainan) 2. Switching Circuit
c. Thermionic Diode Simbol :
A
K
Karakeristik : Diode ini mempunyai mempunyai slave yang lebih linier dan mempunyai swing yang lebih besar. Gambar Fungsi :
1. Pulse Circuit 2. Switching Circuit
Adapun karakteristik dari diode itu sendiri yakni mudah mengalirkan arus apabila tipe P-nya diberi potensial positif dan boleh dikatakan hampir tidak dapat mengalirkan arus apabila tipe P-nya diberi potensial negatif. Dan disamping digambarkan simbol dari diode tersebut dengan arah panah adalah sebagai arah pengaliran arus yang mudah. Jadi apabila diode diletakkan pada tegangan bolak-balik arus hanya dapat mengalir selama setengah periode saja.
PUTU RUSDI ARIAWAN
23
BAB V PENUTUP
5.1
Kesimpulan
1. Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu yang sangat rendah, pada suhu ruangan besifat sebagai konduktor. 2. Bahan baku dari semikonduktor pada umumnya adalah : 3. Tellurides / Susunan Tellurium, Alloys (MgSb 2, ZnSb, Mg2Sn, CaSb,AlSb, GlSb), Aluminium arsenide, Aluminium gallium arsenide, Boron nitrida, Cadmium sulfida, Cadmium selenide, Berlian , Gallium Galli um arsenide, Gallium nitrida, Germanium, Indium phosphide, Silicon, Silicon carbide, Silicon germanium, Zinc sulfida, Zinc selenide. 4. Proses pembuatannya dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu : Teknologi komponen diskrit , Teknologi Hibrida, dan Teknologi monolitik. 5. Semikonduktor merupakan bahan bukan konduktor murni bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut semikonduktor yang lebih baik sebab logam memliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehinga elektronnya dapat bergerak bebas. 6. Aplikasi bahan semikonduktor pada umumnya digunakan sebagai dioda dan transistor.
PUTU RUSDI ARIAWAN
24
DAFTAR PUSTAKA
Muhaimin, 1993, Bahan-Bahan
Listrik Untuk Politeknik. Jakarta:Pradnya Paramita
Silaban Fantur, 1981, Dasar-dasar
elektro teknik edisi ke-5 .
Jakarta:Erlangga
http://ariefcute.blogspot.com/2008/05/sifat-das http://ariefcute.blogspot.com/2008/05/sifat-dasar-bahan-semiko ar-bahan-semikonduktor-bahan.html nduktor-bahan.html http://id.wikipedia.org/wiki/Alat_semikonduktor http://id.wikipedia.org/wiki/Semikonduktor
PUTU RUSDI ARIAWAN
25
BIODATA PENULIS
Nama
: Putu Rusdi Ariawan
TTL
: Denpasar. 19 April 1990
Agama
: Hindu
Mahasiswa Teknik Elektro Unv. Udayana Email :
[email protected] www.facebook.com/turusdi
PUTU RUSDI ARIAWAN
26
