Elektronika 1 (Minggu 4)

1. Elektronika 1 (Minggu 4) P-N Junction

2. Semikonduktor • Susunan elektron pada sebuah atom dapat ditunjukkan dengan dengan : • Principal Quantum Number • Angular Momentum Quantum Number • Magnetic Quantum Number • Spin Quantum Number

3. Principal Quantum Number • Kulit atau electron shell • Daerah disekitar atom yang dapat ditempati oleh elektron. • Daerah tersebut ditunjukkan dengan menggunakan • Bil bulat positif integer n (n=1,2,3,…) • Pada notasi awal sering menggunakan karakter • K,L,M,N,… • Jumlah maksimum elektron pada setiap lapisan = 2n2 • n = principle quantum number

4. Angular Momentum Quantum Number (l) • Menunjukkan sub bagian daerah yang berada dalam daerah yang ditunjukkan oleh principal quantum number (n). • Valid angular momentum quantum number • Bilangan bulat non negatif (0,1,…) • Pada notasi spectroscopic digunakan : • s (sharp),p (principal),d (diffusion), f (fundamental )

5. Magnetic Quantum Number (ml) • Digunakan untuk menunjukkan bentuk dan arah orientasi dari sub daerah (sub lapisan) yang ditempati oleh elektron • Valid Magnetic Quantum Number : • Bilangan bulat • Berada dalam range –l,(-l+1),…,0,1,…,(l) • l = angular momentum quantum number

6. Spin Quantum Number (ms) • Pauli exclusion menyatakan bahwa : • Tidak ada 2 elektron yang berada pada lapisan(n), sub daerah(l) dan memiliki magnetic quantum number (ml) yang sama • Valid Spin Quantum number : • -½ dan ½

7. Contoh susunan elektron :

8. Semikonduktor • Bahan semikonduktor pada tabel periodik unsur termasuk golongan IV A • Bahan yang umum digunakan pada semikonduktor : • Silikon (Si) (Z=14 ; 1s2,2s22p63s23p2) • Germanium (Ge) (Z=32; 1s22s22p63s23p63d104s24p2)

9. Bahan Semikonduktor • Silikon dan Germanium seperti yang telah ditunjukkan dalam notasi spectroscopic akan memiliki : • elektron valensi = 4 • Elektron di sisi paling luar berada pada sub bagian : • l=0 (s) dan l=1 (p) • Untuk mencapai kesetimbangan maka setiap atom pada Si dan Ge membutuhkan 8 elektron di kulit terluar, sehingga : • Ikatan antar atom pada Kristal Semikonduktor (Si atau Ge) merupakan ikatan kovalen berbentuk : • Tetrahedral

10. Semikonduktor Intrinsik • Semikonduktor Intrinsik • Terdiri dari bahan semikonduktor murni • Semikonduktor yang tidak di dop unsur lain • Pada suhu : • Rendah (mis : 0 K)  bersifat sebagai isolator • Ruang (mis : 25oC)  bersifat sebagai konduktor yang kurang baik (semikonduktor) • Timbulnya Elektron dan hole diakibatkan oleh penambahan suhu yang mengakibatkan adanya energi yang diberikan pada bahan semikonduktor (mis Si dan Ge) sehingga terdapat ikatan kovalen yang terlepas antar atom pembentuk kristal. Elektron bebas hole • Kristal silikon pada suhu rendah (0 K ) • kristal silikon akibat penambahan suhu

11. Semikonduktor Ekstrinsik • Semikonduktor Ekstrinsik • Untuk meningkatkan konduktivitas dari bahan semikonduktor maka semikonduktor murni akan di dop dengan unsur lain. • Meningkatkan jumlah hole dan elektron bebas dalam kristal semikonduktor • Tipe N • Kristal semikonduktor di dop unsur yang memiliki 5 elektron valensi (Pentavalent) yaitu unsur pada gol V A pada tabel periodik unsur. • Cont : • Phosporus (P) (Z=15 ; 1s2,2s22p63s23p3) • Arsenik (As) (Z=33; 1s22s22p63s23p63d104s24p3) • Antimon (Sb) (Z=51; 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3 )

12. Semikonduktor Ekstrinsik • Semikonduktor Ekstrinsik • Tipe N • Karena di dop dengan unsur yang memiliki 5 elektron valensi maka pada kristal akan terdapat elektron bebas • Konduktivitas dari semikonduktor menjadi lebih baik. Elektron Bebas

13. Semikonduktor Ekstrinstik • Tipe P • Kristal semikonduktor di dop unsur yang memiliki 3 elektron valensi (trivalent) yaitu unsur pada gol III A pada tabel periodik unsur. • Cont : • Boron (B) (Z=5 ; 1s2,2s22p1) • Gallium (Ga) (Z=31; 1s22s22p63s23p63d104s24p1) • Indium (In) (Z=49; 1s22s22p63s23p63d104s24p614d105s25p1 )

14. Semikonduktor Ekstrinsik • Tipe P • Karena di dop dengan unsur yang memiliki 3 elektron valensi maka pada kristal akan terbentuk hole • Konduktivitas dari semikonduktor menjadi lebih baik.

15. pn Junction • pn junction pada kondisi open circuit : • Tipe n • Atom pada tipe n akan menjadi donor (melepas elektron) sehingga memiliki ion positif • Tipe p • Atom pada tipe p akan menjadi akseptor elektron sehingga akan memiliki ion negatif

16. Pn junction • pn junction • Abrupt junction • Perubahan konsentrasi akseptor dan donor pada pn junction berubah secara drastis • Graded junction • Perubahan konsentrasi akseptor dan donor pada pn junction bertingkat Na p region n region Nd p region n region Na Nd

17. pn junction • Pada saat kesetimbangan maka : • sesaat setelah semikonduktor tipe p dan tipe n digabungkan akan terjadi : • Timbul proses difusi yang terdiri dari : • Elektron dari sisi n akan berdifusi masuk ke sisi p melalui junction • Hole dari sisi p akan bergerak ke sisi n • Kedua proses tersebut akan membentuk daerah tidak bermuatan di sekitar junction yang disebut sebagai depletion region (-xp s/d xn) • Timbul medan listrik akibat terbentuknya dipole yang mendorong elektron kembali ke sisi n. • Proses difusi akan terus berlangsung sampai drift akibat medan listrik yang timbul akibat adanya dipole sama dengan arus difusi sehingga akan tercapai kondisi kesetimbangan dimana tidak ada elektron yang dapat berdifusi melalui junction ke sisi p.

18. pn junction • Contact Potensial pada kesetimbangan :

19. pn junction • Contact potensial (Vpn) antara sisi p dan sisi n (pn junction) : • Dimana : • Nd=Konsentrasi kerapatan atau densitas donor (sisi n) • Na=Konsentrasi kerapatan atau densitas akseptor (sisi p) • ni = konsentrasi kerapatan atau densitas dari bahan semikonduktor intrinsik

20. pn junction • Contoh : • Jika suatu pn junction terdiri dari : • sisi p dengan kerapatan akseptor 2x1016 cm-3 • sisi n dengan kerapatan akseptor 1016 cm-3 dan kerapatan donor 1017 cm-3 Tentukan : (asumsi ni pada suhu 300 K = 1010) • Densitas elektron dan hole pada sisi p dan sisi n • Beda potensial pn junction pada kesetimbangan (suhu = 300 K)

21. pn junction • Solusi : • Densitas elektron dan hole • Sisi p • p=Na =2x1016cm-3 (densitas hole) • (densitas elektron) • Sisi n • n=Nd - Na = 1017 - 1016 = 9x1016cm-3 (densitas elektron) • (densitas hole) • Beda Potensial (VT =300/11600=0,0259 )

22. Analisa elektrostatis pada pn junction • Hubungan antara distribusi muatan dengan potensial listrik adalah sbb (Mempergunakan persamaan poisson’s) : • Dimana : • Untuk menyelesaikan persamaan tersebut maka maka, densitas elektron dan hole harus dinyatakan sebagai fungsi dari φ, sehingga: dengan : • Persamaan diferensial non linear ini dapat diselesaikan dengan melakukan Full Depletion Approximation) • Daerah Pengosongan (Depletion Region)  Tidak mengandung elektron bebas dan hole

23. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Dengan menggunakan Full depletion approximation maka : • Densitas muatan pada daerah pengosongan • Karena pada daerah pengosongan tidak ada elektron bebas dan hole (p = 0 dan n = 0) maka : • Karena pada daerah di sekitar daerah pengosongan diasumsikan tidak bermuatan maka : • Dan densitas muatan di daerah pengosongan (-xp s/d xn)adalah :

24. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Hubungan Medan listrik dan densitas muatan didapat dengan menggunakan Gauss’s law yang menyatakan : • Gradien fungsi medan listrik sama dengan densitas muatan dibagi dengan konstanta dielektrik • Maka gradien fungsi E adalah : • 0 untuk x = -xp dan x = xn

25. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Karena diasumsikan : • E =0 pada x < -xp dan x > xn = 0 maka

26. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Medan Listrik (E) pada x = 0 • Persamaan diatas menunjukkan • Σ muatan positif di sisi n = Σ muatan negatif di sisi p • Jika : • xd = xp + xn …… (2) • Substitusi (1)  (2)

27. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Karena diketahui bahwa : • Jika diberikan beda potensial Va pada pn junction maka : • Pers (2)(3) 1

28. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • ……. (1) • Pers (1)  (2) • Pers (1)  (3)

29. Analisa elektrostatis pada Abrupt pn junction • Kapasitansi pn junction • Hubungan kapasitansi dengan tegangan yang diberikan pada pn junction adalah : Karena diketahui bahwa : Qn=qNdxn ……..(1) ….(2) Menurunkan (2)(1) terhadap Va maka akan didapat : atau

30. Tugas • Sebuah pn junction abrupt silicon (ni = 1010 cm-3) dengan densitas akseptor di sisi p 1016 cm-3 dan di sisi n memiliki densitas donor 5 x 1016 cm-3 . • Tentukan • Contact potential p-n junction. • Lebar daerah pengosongan jika diberikan teganganVa = 0, 0.5 dan Va= -2.5 V. • Medan listrik maksimum jika diberikan tegangan Va = 0, 0.5 dan Va= -2.5 V. • Beda potensial pada sisi n untuk Va = 0, 0.5 dan Va = -2.5 V.