BAB VIIIKRISTAL SEMIKONDUKTORKRISTAL SEMIKONDUKTOR

MATERI :8.1.Kristal semikonduktor intrinsik.

8.1.1.teknik pengukuran celah energi.8.1.2.massa efektif8.1.3.lima alasan hole dianggap sebagai partikel

bermuatan positif.8.1.4.konsentrasi elektron8.1.4.konsentrasi elektron8.1.5.konsentrasi hole.

8.2.Kristal semikonduktor ekstrinsik.8.2.1. tingkat energi donor8.2.2. tingkat energi akseptor8.2.3. konsentrasi elektron8.2.4.konsentrasi hole.

INDIKATORMahasiswa harus dapat : menjelaskan teknik pengukuran celah energi. menjelaskan arti fisis dari massa effektif. menjelaskan 5 alasan mengapa hole dapat

dianggap sebagai partikel bermuatan positif. menghitung konsentrasi elektron/hole dalam

semikonduktor intrinsik. menentukan tingkat energi atom-atom

donor/akseptor menghitung konsentrasi elektron/hole dalam

semikonduktor ekstrinsik.

JENIS SEMIKONDUKTOR

INTRINSIK

Semikonduktor murni (tanpa pengotor)

Contoh golongan IV A (Si, Ge, Ga)

EKSTRINSIK

Semikonduktor tidak murni (karena sudah disisipi atom atom lain)

Golongan IIIA dan VA dapat digunakan untuk mengotori semikonduktor murni.

JENIS SEMIKONDUKTORJENIS SEMIKONDUKTOR• Semikonduktor intrinsik

JENIS SEMIKONDUKTOR Semikonduktor ekstrinsik

Sel primitif silikon berbentuk kubus

E

Satu buah elektron yang dipakai bersama

Si

Si g k vE E E kEvE

k

Cara Mengukur Celah Energi

Penyerapan langsung

Penyerapan

Penyerapan tak langsung

Penyerapan

gE E

E gE

E

fonon foton

•Penyerapan tak langsung•Penyerapan langsung

PERSAMAAN GERAK ELEKTRON DALAM SEBUAH PITA ENERGI

KECEPATAN KELOMPOK UNTUK BEBERAPA FUNGSI GELOMBANG

dk

dVg

E

Frekuensi sudutE = energi

2h

14,3.2

10.63,6 34 js

Jadi : )(1

)()( Edk

dE

dk

d

dk

dVg

)(1

kEVg

Atau ,

Usaha yang dilakukan oleh medan listrik pada elektron :

tVEexFE g ...

Kita ketahui bahwa kdk

dEE

Maka persamaan (1) menjadi

gVdk

dE kVE g

Bila kita bandingkan persamaan 2 dan 3

kV

tVEe

E

E

g

g

teE

k eEkdk

tk

makaeE

tdt

dkF

dt

atau

Jadi

Persamaan gerak elektron

Massa Effectif (m*)Massa Effectif (m*)

Turunkan persamaan Vg terhadap waktu (t)

d(V ) =

2d dk

21

g

d d d dV

dt dt dk dkdt

dt

d(Vg) = (ħ-1) 2dk

d

dt

dk

dari persamaan gerak kita ketahui bahwa ,

F

dt

kd

Maka bila di substitusi kepersamaan menjadi,

dt

d(Vg­) = ħ-1

F

dk

d2

2 ataudt

d(Vg­) = ħ-2 F

dk

d 2

2

Karena :dt

d(Vg)= percepatan

F = gaya

*

12

22

mdk

d

Dengan m* adalah massa effektif

maka

Perbedaan Antara Hole dan Elektron

e hK K

( ) ( )h h e eK K

h eV V 1 dV

dk

1.

2.

3.dk

h em m

1hh h

dKF e E V B

dt c

1e

e edK

F e E V Bdt c

h eF F

4.

5.

Konsentrasi Elektron (pembawa) dalam semikonduktor murni (instrinsik) terhadap: celah energi (Eg)

Syarat dari Distribusi Fermi Dirac adalah:

Partikelnya tak terbedakan Berlaku eklusif Pauli Jumlah partikel N tidak boleh terlalu besar dari harga degenerasi

(g) di setiap tingkat.(g) di setiap tingkat.

( ) /

1

1BK Tf E

e

Distribusi Fermi Dirac :

Untuk ( ) /( ) /

1B

B

K TK T

f E ee

( ) BK Tf E e

TKB

Bila energi sebuah elektron dalam pita konduksi adalah:

2 2

2e Ke

K

m

E

P.V

P.K

EV

EK

Elektron dengan energi kinetik sebesar: 2 2

2 e

K

m

2 em

3 2

1 22 2

2( )

2e

V meD energi elektron

3 2

1 22 2

2( )

2e K

V meD E

Rapat Keadaan Untuk Elektron

Jumlah elektron dalam pita konduksi adalah:

d)(f)(DN e

~

e

k

dimana Tk/)(

eBe)(f

de

m2

2

VN Tk/)(2/1

k

2/3

2e

~

2B

k

Konsentrasi elektron adalah V

Nne Konsentrasi elektron adalah

Vne

de

m2

2

1n Tk/)(2/1

k

2/3

2e

~

2eB

k

dee

m2

2

1n Tk/2/1

k

~Tk/

2/3

2e

2eB

k

B

Tk/)(

2/3

2Be

eBke

2

Tkm2n

Tk/)(

2/3

2Be

eBke

2

Tkm2n

• Merupakan persamaan yang menyatakan konsentrasi elektron

dalam pita konduksi, tetapi belum merupakan fungsi

• Untuk menjadikan persamaan 6 sebagai fungsi terlebih

dahulu kita hitung konsentrasi hole dalam pita valensi

gE

gE

Distribusi Fermi Dirac untuk Hole

EEF

hf

cf

f1h ef f

( ) /

11

1Bh K T

fe

EEF

( ) /

( ) / ( ) /

1 1

1 1

B

B B

K T

h K T K T

ef

e e

( ) /

( ) / 1

B

B

K T

h K T

ef

e

( ) /

11

1B

h

K T

f

e

( ) /

1

1 Bh K T

fe

( ) / BK T

hf e ( ) BK T �Untuk: hf e( ) BK T �Untuk:

3 2

1 22 2

2( )

2h

V mhD Energi hole

3 2

1 22 2

2( )

2h V

V mhD E

hole

E

P.V

P.K

EV

EK

Rapat Keadaan Untuk Hole

Dengan cara yang sama pada elektron,makaJumlah hole dalam pita valensi

d)(f)(DN h

~

h

v

V

Nn p Konsentrasi hole adalah

3/ 2

1/ 2/ /2 2

~

21

2B B

vk T k Th

h v

mn e e d

Dengan cara yang sama untuk konsentrasi elektron, maka

3/ 2

( ) /2

22

v Bk Th Bh

m k Tn e

Untuk semikonduktor intrinsik : pe nn

Tk/)(

2/3

2BhTk/)(

2/3

2Be

peBvBk e

2

Tkm2e

2

Tkm2n.n

Tk/)(Tk/)(2/3

3

B ee)m.m(Tk

4n.n

Tk/)(Tk/)(2/3he2

Bpe

BvBk ee)m.m(2

Tk4n.n

Tk/ETk/)(pe

BgBvk ceecn.n

c

Jika maka pe nn Tk/ETk/)(2

p2

epeBgBvk ceecnnn.n

Tk/E

peBgcenn

Dan

Tk2/E4/3he

3

2B

peBge)m.m(

2

Tk2n.n

Jadi:

Aplikasi Dan Pengembangan Bahan Semikonduktor Transistor

Transistor adalah semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal

DiodaDioda berfungsi membatasi arah pergerakan muatan listrik, dioda hanya mengijinkan arus searah untuk mengalir ke satu dioda hanya mengijinkan arus searah untuk mengalir ke satu arah saja dan menghalangi aliran ke arah yang berlawanan.

Sel SuryaSel surya adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction , di mana, dalam cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna

MikroposesorMikroprosesor (disingkat µP atau uP) adalah sebuah sentral procesing unit (CPU) elektronik komputer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sebuah sirkuit integrasi semikonduktor

Aplikasi Dan Pengembangan Bahan Semikonduktor

Untuk mendapatkan alat-alat semikonduktor yang bermutu tinggi, hal yangterpenting adalah mendapatkan kemurnian dan kesempurnaan dari kristaltunggal dari semikonduktor yang dipergunakan dalam pembuatan alat-alattersebut.

Aplikasi bahan semikonduktor :1. Transistror2. Dioda3. Sel surya4. Mikroposesor

APA ITU TRANSISTO

R?

1. TRANSISTOR

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya(switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya

Jenis-jenis transistor

E

C

B

C

E

B

PNP NPN

Gambar transistor

Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyakkategori:Materi semikonduktor : Germanium, Silikon, Gallium Arsenide.Kemasan fisik : Through Hole Metal, Through Hole Pllastic, SurfaceMount, IC, dan lain-lain.Tipe : UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET,VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain.VMOSFET, MESFET, HEMT, dan lain-lain.Polaritas : NPN atau N-channel, PNP atau P-channel.Maximum kapasitas daya : Low Power, Medium Power, High Power.Maximum frekuensi kerja : Low, Medium, atau High Frekuency, RFtransistor, Microwave, dan lain-lain.Aplikasi : Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, danlain-lain.

2. DIODA

APA ITUDIODA

Sebuah dioda berfungsi sebagai versi elektronik dari katup searah. Dengan membatasi arah pergerakan muatan listrik, dioda hanya

mengijinkan arus listrik untuk mengalir ke satu arah saja dan menghalangi aliran ke arah lain.

Jenis-jenis dioda :

1. Dioda Cahaya

Sensor

2. Dioda Zener

Dioda Zener memiliki sifat yang sama dengan diodabiasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat untukdipakai dengan tegangan rusak yang dikurangi,disebut tegangan Zene

3. Dioda Foto

Dioda foto adalah komponen elektronikdan juga salah satu jenis fotodetektor.Hubungan p-n dari diode ini dibuatsensitive terhadap cahaya.

4. Dioda Laser

Dioda laser adalah sejenis laser di mana media aktifnya sebuahsemikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapatpada dioda pemancar cahaya. Dioda laser kadang juga disingkat LDatau ILD.

Contoh alat elektronik dari aplikasi dioda laser

3. Sel Surya

APA ITUSEL SURYA

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yangterdiri dari sebuah wilayah besar dioda p-n junction, di mana dalamhadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna.

Contoh alat elektronik dari aplikasi sel suryaContoh alat elektronik dari aplikasi sel surya

4. MIKROPOSESOR

APA ITUMIKROPOSESOR

Sebuah mikroprosesor (disingkat µP) dalah sebuah central processing unit(CPU) elektronik computer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuitlainnya di atas sebuah sirkuit terintegrasi semikonduktor.

Contoh alat elektronik dari aplikasi mikroprosesor

MATERI :8.1.Kristal semikonduktor intrinsik.

8.1.1.teknik pengukuran celah energi.8.1.2.massa efektif8.1.3.lima alasan hole dianggap sebagai partikel

bermuatan positif.8.1.4.konsentrasi elektron8.1.4.konsentrasi elektron8.1.5.konsentrasi hole.

8.2.Kristal semikonduktor ekstrinsik.8.2.1. tingkat energi donor8.2.2. tingkat energi akseptor8.2.3. konsentrasi elektron8.2.4.konsentrasi hole.

INDIKATORMahasiswa harus dapat : menjelaskan teknik pengukuran celah energi. menjelaskan arti fisis dari massa effektif. menjelaskan 5 alasan mengapa hole dapat

dianggap sebagai partikel bermuatan positif. menghitung konsentrasi elektron/hole dalam

semikonduktor intrinsik. menentukan tingkat energi atom-atom

donor/akseptor menghitung konsentrasi elektron/hole dalam

semikonduktor ekstrinsik.