MAKALAH IKATAN KIMIA BAHAN SEMI KONDUKTOR
DISUSUN OLEH 1.
AMATUL AKHIR (G1C012001)
2.
LILI NURMALASARI (G1C012019) (G1C012019)
3.
SA’ADAH (G1C012030)
4.
ZULFAH YANA (G1C012033)
5.
MADE DWI PRAMANDITA (G1C012020)
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS MATARAM 2014
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami haturkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan karunia Nya kami dapat menyelesaiakan makalah yang berjudul “ Bahan Semikonduktor”. Meskipun banyak hambatan yang kami alami dalam proses pengerjaannya, tapi kami berhasil menyelesaikan karya ilmiah ini tepat pada waktunya. Tidak lupa kami sampaikan terimakasih kepada dosen pengampu mata kuliah Ikatan Kimia yang telah membantu dan membimbing kami dalam mengerjakan makalah ini. Kami juga mengucapkan terimakasih kepada teman-teman mahasiswa yang juga sudah memberi kontribusi baik langsung maupun tidak langsung dalam pembuatan makalah ini. Penulis menyadari bahwa dalam menyusun makalah ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya sempurnanya makalah makalah ini. Penulis berharap semoga makalah
ini bisa
bermanfaat bagi penulis khususnya dan bagi bagi pembaca pada umumnya. Mataram, 05 Desember 2014
Penyusun
DAFTAR ISI Halaman Judul
……………………………………………………………. i
Kata Pengantar
……………………………………………………………. ii
Daftar Isi
……………………………………………………………. iii
BAB I : PENDAHULUAN ……………………………………………………... 1 A. Latar Belakang
……………………………………………………...1
B. Rumusan Masalah ……………………………………………………... 2 C. Tujuan BAB II : PEMBAHASAN
……………………………………………………... 2 ……………………………………………………... 3
A. Pengertian Semikonduktor……………………………………………… 4 B. Unsur dan Senyawa Semikonduktor ……………………………………8 C. Pembagian sifat semikonduktor…………………………………………10 D. karakterisasi bahan semionduktor………………………………………13 BAB III : PENUTUP…………………………………………………………….. 22 Kesimpulan ……………………………………………………………. 22
BAB I PENDALUAN 1.1 Latar Belakang
Semikonduktor merupakan bahan dasar pembuatankomponen aktif elektronika seperti dioda,transistor, dan IC.Semikonduktor juga merupakanbahan yang memiliki kehantaran di antara konduktordan isolator (10−8- 103(Ωm)−1). Silikon dan germanium, yang termasuk kelompok IV dalam sistem pe-riodik, merupakan semikonduktor yang paling banyakdigunakan sebagai bahan dasar komponen elektronika,karena keduanya banyak tersedia di alam. Di sam-ping kedua bahan itu, juga digunakan bahan semikon-duktor paduan, di antaranya silikon-karbon, indium-fosfat, serta berbagai senyawa lainnya.Pada umumnya, bahan semikonduktor peka terhadap suhu, karena itu suhu kerja alat sangat perludiperhatikan.Pembawa muatan mayoritas di dalam semikonduktor tipe- pdan tipe-n, berturut-turutadalah lubang(hole) dan elektron. Sehingga pembawa muatandi dalam semikonduktor tipe- p bukan hanya lubangsaja tetapi juga sejumlah kecil elektron. Sebaliknya,di dalam semikonduktor tipe-n juga terdapat sejumlah kecil lubang sebagai pembawa muatan. Pem-bawa muatan yang berjumlah besar dinamakan pembawa muatan mayoritas dan yang berjumlah kecil dinamakan pembawa muatan minoritas karena konsentrasi lubang dan elektron sama besar. Semikonduktor yang demikian itu dinamakan semikonduktor intrinsik dan kosentrasi pembawa muatanya dinamakankosentrasi intrinsik. Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14. Silikon merupakan elemen terbanyak kedelapan di alam semesta dari segi massanya, tapi sangat jarang ditemukan dalam bentuk murni di alam. Silikon paling banyak terdistribusi pada debu, pasir, planetoid, dan planet dalam berbagai bentuk seperti silikon dioksida atau silikat. Lebih dari 90% kerak bumi terdiri dari mineral silikat, menjadikan silikon sebagai unsur kedua paling melimpah di kerak bumi (sekitar 28% massa) setelah oksigen.
Silikon bukan termasuk benda yang awam bagi masyarakat. Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikon. Unsur silikon juga berperan besar terhadap ekonomi modern dan silikon juga merupakan elemen esensial pada biologi, meskipun hanya dibutuhkan hewan dalam jumlah amat kecil.Banyak masyarakat dengan ekonomi tinggi menggunakan silikon yang memiliki harga yang tidak murah itu, tetapi mereka tidak mengetahui bagaimana sifat dari silikon itu, apakah berdampak positif atau negatif. 1.2 Tujuan Adapun makalah ini bertujuan untuk: a.
Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan bahan yang bersifat semikonduktor.
b.
Mengetahui bebrapa unsur kimia yang memilikisifat semikonduktor.
c.
Pembagian sifat semikonduktor.
d.
Mengentahui karakterisasi bahan semionduktor.
1.3 Rumusan Masalah a.
Apa yang dimaksud dengan semikonduktor ?
b.
Unsur apa sajakah yang memiliki sifat semikonduktor ?
c.
Unsur apa sajakah yang memiliki sifat semikonduktor ?
d.
Bagaimana bahan karakterisasi semikonduktor ?
e.
Bagaimana pemanfaatan sifat smikonduktor ?
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Semikonduktor
Sesuai dengan namanya, semi konduktor (setengah penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya antara harga daya hantar konduktor dan daya hantar isolator. Sifat tersebut dipengaruhi oleh susunan pita konduksi dan pita valensi bahan. Pengetahuan mengenai hal tersebut perlu bagi setiap orang yang memilih profesi dibidang elektronika yang penggunannya tidak terbatas pada arus lemah saja. Adapun macam-macam dan penggunaan bahan semi konduktor antara lain seperti tabel dibawah ini:
Suatu hal yang penting untuk memahamisemikonduktor adalah proses konduksi elektronik. Konduksi elektronik bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi bahan. Pada konduktor, kedua pita tersebut saling menumpuk. Pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan tidak terlalu dekat danini memungkinkan tumpang tindih jika dipengaruhi, misalnya panas, medan magnet dan tegangan yang cukup tinggi. Jarak kedua pita tersebut adalah celah energi, seperti gambar dibawah ini:
Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energy bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar. susunan semikonduktor serupa dengan susunan isolator kecuali bahwa dalam semikonduktor celah pita lebih sempit. Celah pita untuk semikonduktor biasanya berkisar dari 0,2 eV sampai 2,5 eV, sedangkan celah pita isolator khas seperti intan sekitar 6 eV. Akibatnya, tidak seperti dalam isolator, semikonduktor menunjukkan hantaran listrik sedang pada temperatur kamar. Umumnya istilah semikonduktor digunakan untuk segolongan bahan yang penghantarnya ( konduktivitas ) berada di antara penghantar dan isolator. Pada temperatur kamar, tahanan penghantar yang baik sekitar 10-6 Ω cm, sedangkan tahanan semikonduktor berkisar 10-3 sampai 106 Ω cm. Isolator yang baik, sebaliknya mempunyai tahan sekitar 1012 Ω cm. Disamping itu semikonduktor memiliki sifat-sifat berikut:
(i) Semikonduktor murni memiliki koefisien temperatur yang negatif dengan resistansi tidak seperti logam yang memiliki resistansi dengan koefisien temperatur positif. (ii) Semikunduktor memberikan daya termolistrik yang tinggi dengan tanda positif atau negatif relatif terhadap logam bersangkutan. (iii) Hubungan (juction) antara semikonduktor jenis p dan semikonduktor jenis n menunjukkan sifat-sifat penyearahan. (iv) Semikonduktor bersifat peka cahaya, membangkitkan baik tegangan foto maupun perubahan resistansi akibat penyinaran cahaya. 2.2 Unsur dan Senyawa Semikonduktor
Unsur-unsur germanium ( Ge ) dan silikon ( Si ) dianggap sebagai semikonduktor dasar. Germanium telah digunakan untuk hampir semua peralatan benda padat seperti transistor, tetapi baru-baru ini hampir semua diganti dengan silikon, karena tersedianya silikon tidak terbatas. Disamping itu, rangkaian terpadu ( IC ) pada elektronik saat ini dibuat dari silikon. Disamping unsur-unsur semikonduktor, masih ada semikonduktor senyawa yang dengan
berhasil
digunakan
untuk
perbuatan
peralatan
elektronika.
Senyawa
semikonduktor yang penting adalah sulfida kadnium ( CdS ), sulfida timah ( PbS ), tellurida timah (PbTe ), antimonida indium( InSb ), arsenida gallium ( GaAs ), fosfida indium ( InP ) dan sebagainya. Diantara senyawa-senyawa ini, Cds telah digunakan sebagai pengukuran cahaya; PbS dan PbTe digunakan dalam detektor inframerah. GaAs telag digunakan dalam pembuatan transistor, laser benda padat dan beberapa peralatan frekuensi tinggi khusus. Beberapa senyawa semikonduktor membentuk campuran ( alloy ) yang mempunyai sifat-sifat yang penting. Mereka dikenal sebagai semikonduktor alloy. Di antara semikonduktor alloi, arsenida indium gallium ( Gax In1-x As ) digunakan sebagai alat-alat frekuensi tinggi dan alat-alat optik, tellurida kadnium merkuri ( Hg1-xCdx Te ) digunakan untuk pembuatan detektor inframerah yang efisien, dan fosfida arsenida gallium ( GaAsx P1-x) digunkan untuk pembuatan dioda pemancar cahaya ( LED ). Kalau penghantar semikonduktor terutama hanya ditentukan oleh pembawa yang dibangkitkan panas, maka semikonduktor ini disebut semikonduktor murni atau
intrisik. Kalau semikonduktor murni dijaga tetap pada 0oK, pita valensinya terisi penuh dan pita hantaran sama sekali kosong, karena energi panas dari elektron sama dengan nol, karena itu pada 0o K semikonduktor murni bersifat isolator. Sebaliknya, kalau semikonduktor murni dijaga pada temperatur kamar, beberapa elektron pita valensi memperoleh cukup energi, melompat ke dalam pita hantaran, dan menjadi bebas. Tempat-tempat kosong yang terbentuk dalam pitabvalensi dari semikonduktor kalau beberapa elektron pita valensi melompat ke dalam pita hantaran yang diberi istilah lobang ( hole ). Lobang membawa muatan yang besarnya sama dengan muatan elektron dan jumlah elektron terbangkitkan panas selalu sama dengan jumlah lobang. Jadi, ni dan pi berturut-turut menunjukkan konsentrasi elektron dan lobang, maka ni= pi. Persamaan ni atau pi dinamakan konsentrasi pembawa intrinsik. Elektorn dalam pita hantaran dan lobang-lobang dalam pita valensi bebas dan bergerak dalam kristal secara acak akibat energi panas. Tegangan luar yang di berikan ke semikonduktor digabung dengan gerakan panas acak elektron dan lobang menghasilkan kecepatan simpangan
( drift ). Kecepatan ini menaikkan aliran arus. Jadi, kalau
semikonduktor dihubungkan kebaterai, arus disusun oleh elektron-elektron bebas dalam pita hantaran dan lobang-lobang bebas dalam pita valensi. Elektron bergerak menuju elektroda positif sedangkan lobang-lobang bergerak menuju elektroda negatif dari baterai. Arus yang disebabkan oleh gerakan kebalikan dari dua pembawa muatan ini saling menambahkan, karena lobang membawa muatan positif. Dalam peristiwa semikonduktor kovalen Ge dan Si, pembangkit elektron dan lobang dan geraknya dapat dimengerti dengan menganggap susunan kristal . Germanium merupakan unsur grup IV dari tabel periodik, sehingga masingmasing atom mempunyai empat elektron valensi. Elektron-elektron valensi dipegang oleh ikatan-ikatan kavalen dengan lektron-elektron valensi dari empat atom germanium berdekatan. Kalau satu elektron valensi menerima energi panas yang cukup maka elektron tersebut memutuskan ikatan kovalennya dan menjadi bebas. Satu pasangan elektron lobang dengan demikian muncul. Kalau satu lobang terbentuk, maka elektron valensi yang berdekatan, yang mempunya energi panas yang cukup dapat melompat ke dalamlobang tersebut dan terbentuk kembali ikatan. Dalam hal ini, elektron tersebut membuat lobang pada kedudukan sebelumnya. Hal ini mengakibatkan gerakan lobang
dari kedudukan A ke kedudukan B. Jadi, gerakan lobang terjadi menurut arah yang berlawanan dengan arah elektron valensi. 2.3 Pembagian Sifat Semikonduktor
Sifat semikonduktor dibagi menjadi 2 yaitu : 2.2.1 Semikonduktor intrinsik Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya
Si saja atau Ge saja.
Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si
yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus.Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut tori pita energi, pada 0 K T pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 -3,7eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masingmasing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV. Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyebrangi celah energi. Elektron valensi pada atom Gelebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron,dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang, kedua pita terisi sebagian, dan daat menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas bagian pita valensi ke bagian pita thermal adalhan penyebab konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut:
Dimana : Efadalah tingkat Fermi Kadalah konstanta Boltzman sebesar 8, 64 .10-5 E-EFadalah sama dengan Eg/ 2 Egadalah besaran energi thermal KT pada suhu kamar (0, 026 e V) Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 11-1 diatas dapat ditulis:
Pada suhu 00C semua pita elektron berada di pita valensi. Pada daerah ini kemungkinan adanya elektron adanya didaerah 0 > E > EF adalah 100 % atau P(є) = 1; semua keadaan terdapat elektron. Untuk E >EF, P (E) = 0 kemungkinan elektron di daerah E > EF adlah 0 %, semua keadaan diatas EF adalah kosong kalau energy elektron E sama besarnya dengan kemungkinan P (E). Karena perpindahan elektron-elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut.Suatu semi konduktor intrinsik mempunyai pita lubang yang sama dengan pita valensi dsan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian, elektron yang lari ke pita valensi, misalnya karena panas dapt dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang Sama lubang-lubang pada pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasimuatan pembawa tersebut yaitu ne dan NH. 2.2.2 Semikonduktor ektrinsik Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Proses penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran(doping). Dengan menambahkan atom pengotor (impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan berubah. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole,
namunmasing-masing
bergantung
pada
konsentrasi
dan
jenis
bahan
ketidakmurnian. Dalam aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping ketidakmurnian ke dalam semikonduktor. Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping . Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan meningkatkan konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P, As atau Sb . Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n Semikonduktor dengan konsentrasi elektron lebih besar dibandingkan konsentrasi holedisebut semikonduktor ekstrinsik tipe-n. Semikonduktor tipe-n menggunakan semikoduktor intrinsik dengan menambahkan atomdonoryang berasal dari kelompok V pada susunanberkala, misalnya Ar (arsenic), Sb (Antimony), phosphorus (P). Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal semikonduktor. Konsentrasi elektron pada Si dan Gedapat dinaikkan dengan proses doping unsur valensi 5. Sisa satu elektron akan menjadi elektron bebas, jika mendapatkan energi yang relatif kecil saja (disebut sebagai energi ionisasi). Elektron ini akan menambah konsentrasi elektron pada pita konduksi. Elektron yang meninggalkan atom pengotor yang menjadiion disebut dengan elektron ekstrinsik. Keberadan impuriti donor digambarkan dengan keadaan diskrit pada energi gap pada posisi didekat pita konduksi. Pada Gb. IV ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P. Pada gambar tersebut, 4 dari 5 elektron kelima dari atom P tidak mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan berputar mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah perbedaan yang penting.
Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari Kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari Kristal dari perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira – kira 80 A0 dibandingkan 0, 5 A0 dari orbit hydrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas dari tingkat energinya berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita eksistansi. Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semi konduktor. Tingkat energy dari elektron ke- 5 dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semi konduktor tipe n. 2.4 Karakterisasi Bahan Semikonduktor
Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada system periodik golongan
IV
A
seperti
silikon
(Si),
Germanium
(Ge)
dan
Karbon
(C).Karbon semi konduktor ditemukan dalam bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser. Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika.Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atomatomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator. Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2).Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskansebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrik”Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai: konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni. Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentukelektron – hole sebagai pembawa
muatan.
Pada
Si
dibutuhkan
energi
Eg
=
1,12
eV.
Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni) Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2) Elemen semikonduktor beserta atom pengotor uang biasa digunakan.
Semikonduktor tipe-n Semikonduktor tipe-ndapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom
pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atomatompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan
dari
proses
pengotoran
ini
disebut
semikonduktor
tipe-
nkarenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.
Semikonduktor tipe-p Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-
pdapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-
atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisasebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-pkarena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor (acceptor).
Generasi dan Rekombinasi
Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur Tdinyatakan dengan kT, dimana kadalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistic menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengan e eVG kT / . Jika energi gapeVGberharga kecil dan temperatur Ttinggimaka laju generasi termal akan tinggi.Pada semikonduktor, elektron
atau
lubang
yang
bergerak
cenderungmengadakan
rekombinasi
dan
menghilang.Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka Rakan berharga rendah; sebaliknya Rakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga Rakan berharga sangattinggi. Dimanarmenyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.Bahan Semikonduktor61. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donor ND>>. Model
Setara Penguat
Secara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguatadalah mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output) yang besarnya sebanding dengan masukan. Besarnya tegangan keluaran (vo) dibandingkan dengan tegangan masukan (vi) dinyatakan sebagaiv = A v. Pada paragrap sebelumnya telah dijelaskan bagaimana semikonduktor sambungan NPN atau PNP terbentuk menjadi sebuah transistor. Pada beberapa rangkaian elektronik transistor sering difungsikan sebagai elemen penguat dan saklar terkendali. Dua hal yang membedakan, bila transistor dioperasikan sebagai penguat pemberian tegangan bias diletakkan pada daerah aktif (linier), sedangkan apabila transistor bekerjasebagai saklar
pemberian tegangan bias berada pada daerah hantaranpenuh/sumbatan penuh (non linier). Karakteristik
masukan
Untuk memudahkan pengertian secara kualitatif perilaku dari bentukkarakter listik masukan dan keluaran suatu transistor dapat dipandang sebagai ekivalen dari dua buah
dioda
yang
saling
bertolak
belakang
dengan
posisi
katodanya
saling
dihubungkan.Gambar 1 memperlihatkan suatu simbol dan rangkaian pengganti transistor-npn, dimana pada daerah aktif susunan dioda antara emitor-basis mendapat tegangan bias maju (forward biased).Suatu sifat penting dari karakteristik masukan arus tegangan adalah menyerupai sifat sumber tegangan konstan yang ditandai dengan adanya tegangan ambang (V) dengan arus emitor kecil.Umumnya, besarnya tegangan ambang (V) kira-kira <0,3Vuntuk transistor Germanium dan <0.6Vuntuk transistor Silikon.Pada daerah diatas batasan tegangan ambang (V) terlihat jelas sekali bentuk kurva dapat digunakan model pendekatan linier sumber arus konstan. Pada daerah ini terlihat perubahan tegangan basis emitor (VBE) yang sedemikian kecil akan menyebabkan perubahan arus kolektor (IC) cukup besar. Dengan perilaku yang demikian ini sangat memungkinkan sekali suatu alasan kenapa transistor banyak difungsikan sebagai penguat (amplification). Agar supaya mudah dipahami, maka bentuk kurva dari karakteristik masukan dapat kita pandang sebagai perubahan tegangan basis emitor (VBE) dengan mengkondisikan tegangan antara kolektor-emitor (VCE) konstan.Persamaan (2.232) memperlihatkan kemiringan kurva hubungan fungsi perubahan antara arus kolektor (IC) terhadap tegangan basis emitor (VBE) pada saat tegangan kolektor-emitor (VCE) dikondisikan konstan.Gambar 1.memperlihatkan karakteristik masukan, dimana absis adalah arus basis (IB) dan ordinat menggambarkan tegangan basis ke emitor (VBE) untuk berbagai nilai tegangan kolektor-emitor (VCE). Pertama dapat diamati untuk tegangan kolektor emitor hubung singkat (VCE=0) dengan basis emitor terbias maju. Dengan kondisi seperti ini, karakteristik masukan dari transistor pada hakekatnya menyerupai diode persambungan yang terbias maju. Dan apabila tegangan basis menjadi nol, maka arus basis (IB) akan berada pada nilai nol juga, karena dalam keadaan ini kedua persambungan antara kolektor dan emitor dalam kondisi hubung singkat (shortcircuited). Pada kenyataanya menaikan tegangan |VCE| dengan kondisi tegangan basis
emitor (VBE) tetap konstan, maka akan menyebabkan penurunan arus rekombinasi basis. Pemberian bias tegangan dc pada rangkaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor level tegangan dan arus yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga menentukan daerah kerja transistor. Oleh karena titik kerja tersebut merupakan titik yang tetap dalam kurva karakteristik, yang disebut dengan titik-Q (atau Quiescent Point). Pada dasarnya titik kerja suatu rangkaian penguat bisa diletakkan dimana saja di kurva karakteristik.Agar rangkaian penguat dapat menguatkan sinyal dengan linier atau tanpa cacat, maka titik kerja transistor ditempatkan di tengah daerah aktif.Disamping itu agar titik kerja tidak diletakkan diluar batas maksimum dari arus maupun tegangan yang sudah ditentukan oleh transistor,karakteristik
pabrik untuk menjaga transistor dari kerusakan. output transistor,titik
kerja
transistor,bias
tegangan
transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titik kerja transistor Pada gambar diatas terlihat arus IC maksimum adalah 40 mA dan tegangan VCE maksimum sebesar 20 Volt. Disamping nilai arus dan tegangan maksimum tersebut yang tidak boleh dilampaui adalah daya kolektor maksimum PCmaks.Dalam gambar PCmaks ini ditunjukkan oleh garis lengkung putus-putus.PCmaks atau disipasi daya kolektor maksimum ini merupakan perkalian IC dengan VCE.Dengan demikian titik kerja harus diletakkan di dalam batas-batas tersebut. Transistor yang bekerja pada titik A kurang begitu memuaskan karena termasuk pada kurva non-linier, sehingga sinyal output yang dihasilkan cenderung cacat. Demikian juga pada titik C, karena terletak hampir pada batas kemampuan VCE transistor. Disamping itu transistor juga akan cepat panas. Titik B merupakan pilihan terbaik sebagai titik kerja transistor sebagai penguat, karena terletak di tengah-tengah, sehingga memungkinkan transistor dapat menguatkan sinyal input secara maksimum tanpa cacat. Agar transistor bekerja pada suatu titik kerja tertentu diperlukan rangkaian bias. Rangkaian bias ini akan menjamin pemberian tegangan bias persambungan E-B dan B-C dari transistor dengan benar. Transistor akan bekerja pada daerah aktif bila persambungan E-B diberi bias maju dan B-C diberi bias mundur. kurva karakteristik transistor,kurva
output
transistor,karakteristik
transistor,titik
kerja
transistor,bias
tegangan transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titi,k kerja transistor,faktor penentu output, faktor penguatan transistor,daerah aktif transistor,daerah mati transistor,cutt off transistor,daerah jenuh transistor Dalam praktek dikenal berbagai bentuk rangkaian bias yang masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugian. Kemantapan kerja transistor terhadap pengaruh temperatur merupakan faktor yang perlu diperhatikan dalam menentukan bentuk rangkaian bias. Karena perubahan temperatur akan mempengaruhi β (factor penguatan arus pada CE) dan arus bocor ICBO. Konduktivitas
Sifat dari bahan konduktor adalah tidak adanya medan listrik di dalam konduktor. Pernyataan ini benar jika konduktor dalam keadaan keseimbangan statis. Tujuan dari pembicaraan ini adalah ingin menggambarkan apa yang terjadi jika muatan bergerak dalam konduktor. Muatan yang bergerak dalam sebuah konduktor, akan menghasilkan arus di bawah pengaruh medan listrik. Medan listrik ini muncul karena adanya pergerakan muatan sehingga situasinya non-elektrostatis . Keadaan ini sedikit berlawanan dengan situasi untuk keseimbangan elektrostatis di mana muatan dalam keadaan diam sehingga tidak ada medan listrik di dalam. Muatan lis trik yang dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain adalah muatan elektron. Elektron-elektron yang mudah berpindah disebut elektron bebas.Elektron-elektron bebas dalam logam merupakan gas elektron yang pada suhu sangat tinggi 70.000°C bersifat sebagai gas sempurna.Elektron-elektron bebas ini bergerak bebas di dalam sebuah bahan konduktor. Sehingga pada saat tertentu elektron-elektron ini akan berbenturan dengan elektron bebas yang lain. Dengan jumlah elektron bebas yang besar maka bahan konduktor mudah mengalirkan muatan listrik.Bahan konduktor yang baik dan sempurna jika mempunyai nilai konduktivitas yang besaryaitu (mendekati tak terhingga besarnya).Sebaliknya untuk hambatan atau hambatan jenisnya mempunyai nilai mendekati nol atau sangat kecil. 2.5 Manfaat Bahan Semikonduktor Bahan
semikonduktor
mempunyai
banyak
kegunaan
praktis.
Dimaan
salahsatunya bahan semikonduktor dapat digunakan sebagai sebuah fotosel untuk digunakan dalam fotografi atau didalam pembuka pintu otomatis. Kuantum-kuantum seri cahaya tampak mempunyai energi sebesar 2 atau 3 eV, yang lebih daripada cukup untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Didalam sebuah medan listrik , arus semi konduktor bertambah sangat besar bila bahan tersebut dbukakan terhadap
cahaya dan banyaknya pengangkutan muatan akan bertambah. Jenis-jenis semi konduktor yang saling bersentuhan digunakan didalam beraneka ragam transistor dan alat-alat lain. Aalt -alat ini mempunyai segala-galanya untuk menggantikan tabung vakum yang ditemukan sebelumnya yang telah lama didalam elektronika. Alat-alat tersebut diinginkan karena menggunakan daya yang cukup rendah dan tidak ada masalah pemanasan jika dibandingkan dengan tabung vakum. Juga sifat mekaniknya yang keras dan memiliki ketahanan usia (long life) hampir tak berbatas lamanya. Sambungan p-n diproduksi tidak dengan melekatkan tipe-p dan tipe-n menjadi satu melainkan dengan suatu teknik yang disebut doping, yaitu atom-atom pengotor didifusikan ke dalam bahan. Meskipun semikonduktor tipe-p adalah pembawa lowong positif dan tipe-n adalah pembawa electron, keduanya bersifat netral. Di daerah sambungan, electron dan lowong positif mengadakan rekombinasi sehingga tipe-p kekurangan lowong ( menjadi bermuatan negative ) dan tipe-n kekurangan electron ( menjadi bermuatan positif ). Akibatnya, di dalam hal ini bahan timbul medan listrik internal yang arahnya dari tipe-n ke tipe-p sehingga menghalangi terjadinya rekombinasi lebih lanjut.
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan Berdasarkan uraian diatas dapat disimpulkan bahwa : a. Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energy bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar. b. Unsur-unsur germanium ( Ge ) , silikon ( Si ), sulfida kadnium ( CdS ), sulfida timah ( PbS ), tellurida timah (PbTe ), antimonida indium( InSb ), arsenida gallium ( GaAs ), fosfida indium ( InP ) dan sebagainya. Diantara senyawa-senyawa ini, Cds telah digunakan sebagai pengukuran cahaya; PbS dan PbTe digunakan dalam detektor inframerah. GaAs telag digunakan dalam pembuatan transistor, laser benda padat dan beberapa peralatan frekuensi tinggi khusus. c. Pembagian Sifat Semikonduktor yaitu Semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Sedangkan Semikonduktor ekstrinsik terbentuk melalui mekanisme doping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan electron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen sehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. d. karakterisasi bahan semionduktor yaitu Semikonduktor tipe-n dan Semikonduktor tipe-p.
DAFTAR PUSTAKA Barmawi
Malvino, Tjia. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semi Konduktor (Pengantar
Transistor Rangkaian Terpadu).Jakarta: Erlangga. Darsono dan Suhadi. 1977. Ilmu Bahan Listrik I.Jakarta: Proyek
Pengadaan Buku
Pendidikan Menegah Teknologi. Muhaimin. 1991. Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik.Jakarta: Andi Offset. Sumanto, Drs. 1996. Pengetahuan Bahan untuk Mesin dan Listrik. Jakarta: Andi Offset. Ramandhani, Robi . Semi Konduktor. Malang : Universitas Negeri Malang.
