Gejala Transport dalam Semikonduktor

1. Gejala Transport dalam Semikonduktor MIKROELEKTRONIKA D3 – Teknik Komputer Universitas Gunadarma

2. MOBILITAS & KONDUKTIVITAS • Bagian yang gelap menyatakan bagian yang mempunyai muatan total positif, berasal dari inti atom dan elektron bagian dalam yang terikat kuat. • Titik hitam menggambarkan elektron luar atau elektron valensi dari atom. • Bayangkan suatu logam dapat dibayangkan sebagai suatu ruang yang mengandung kisi-kisi ion berat, yang periodik dalam tiga dimensi, yang saling mengikat dengan kuat dan diantaranya diisi oleh kawanan elektron yang bergerak kian kemari. Gambaran gas elektron dari logam

3. TEORI GAS ELEKTRON DARI LOGAM • Elektron terus menerus bergerak yang arahnya selalu berubah-ubah setelah mengalami tumbukan dengan ion yang berat (yang hampir selalu diam). • Jarak rata-rata antara dua tumbukan disebut jarak bebas rata-rata. • Gerak elektron yang acak mengakibatkan pada suatu saat elektron yang bergerak melalui suatu satuan luas dalam logam dalam dua arah yang berlawanan rata-rata sama banyaknya. Oleh karena itu arus rata-ratanya sama dengan nol.

4. Kecepatan Hanyut V • Arahnya berlawanan dengan arah medan listrik. • Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a = q / m adalahpercepatan. • Kecepatan V berbanding lurus dengan .  (m kuadrat per detik) disebut mobilitasdari elektron. V = 

5.  adalah kondutivitas dari logam dalam (ohm meter)-1 Rapat Arus • Arus dalam ampere : • Rapat arus : • J dalam ampere meter kuadrat danA adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat • LA adalah volume yang mengandung N elektron, sehingga : • n adalah rapat elektron (dalam elektron per meter kubik) • adalah rapat muatan dalam coulomb meter kubik dan v dalam meter per detik. Konduktivitas

6. ELEKTRON & HOLE DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK • Konduktivitas berbanding lurus dengan konsentrasi n dari elektron bebas. • Konduktor yang baik n = elektron/meter kubik • Isolator n = • Semikonduktor harga n diantara konduktor dan isolator 10-28 107

7. Ikatan Kovalen Ikatan kovalen • Atom Germanium mempunyai 32 elektron . • Setiap atom menyumbangkan 4 elektron. • Merupakan atom tentravalen. • Mempunyai muatan listrik + 4 dalam satuan muatan listrik elektron. • Setiap elektron valensi dari germanium dimiliki bersama dengan sebuah dari empat atom germanium yang bertetangga dekat. • Mempunyai konduktivitas yang rendah Elektron valensi Struktur kristal Ge dilukiskan secara simbolik dalam dua dimensi

8. Hole • Pada temperatur sangat rendah kristal berperilaku sebagai isolator. • Pada temperatur kamar, beberapa dari ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal dan konduksi dimungkinkan. • Energi Eg yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen : • Germanium : 0.72 eV • Silikon : 1.1 eV • Ikatan kovalen yang tidak lengkap disebut lubang. Kristal Germanium dengan satu ikatan kovalen yang patah

9. Dalam semikonduktor intrinsik (murni) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas. • Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi (rapat) elektron n, sehingga : disebut konsentrasi atau rapat intrinsik n = p = ni ni

10. TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR • Apabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk semikonduktor yang takmurni, yang ekstrinsik. • Donor-donor • Apabila atom tak murnian mempunyai lima elektron valensi, maka atom takmurnian akan menggeser beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal. • Empat dari lima elektron valensi akan mengisi ikatan kovalen dan yang kelima akan terlepas dan dapat digunakan sebagai pembawa arus. • Energi yang diperlukan untuk melepas elektron adalah : • Ge = 0.1 eV • Si = 0.05 eV Contoh : antimurnian (Sb), Fosfor dan Arsenikum • Takmurnian ini memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, dikenal sebagai donor atau tipe-n.

11. Akseptor • Apabila suatu takmurnian trivalen ditambahkan pada semikonduktor intrinsik hanya tiga ikatan kovalen yang diisi. • Kekosongan yang terjada pada ikatan keempat membentuk lubang. • Takmurnian serupa menyediakan pembawa positif oleh karen takmurnian tersebut menciptakan lubang dan dapat menerima elektron, dikenal sebagai akseptor atau tipe-p. • Hukum Aksi-Massa • Penambahan takmurnian tipe-n, mengurangi banyaknya lubang. • Penambahan takmurnian tipe-p, menurunkan rapat elektron bebas. • “Perkalian dari rapat muatan negatif yang bebas dan muatan yang positif, merupakan suatu tetapan dan tidak bergantung pada banyaknya donor dan akseptor” • Dalam semikonduktor tipe-n, elektron2 disebut pembawa mayoritas sedangkan lubang adalah pembawa minoritas. • Dalam semikonduktro tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas. np = ni2

12. RAPAT MUATAN DALAM SEMIKONDUKTOR ND + p NA + n • Rapat muatan positif = • Rapat muatan negatif = • Pada semikonduktor netral, besarnya muatan positif sama dengan besar muatan negatif : • Pada semikonduktor tipe n, banyaknya elektron lebih besar dari banyaknya lubang (n >> p) sehingga : • Rapat Lubang dalam semikonduktor tipe-n adalah : • Untuk semikonduktor tipe-p adalah : ND + p = NA + n nn= ND pn ni 2 pn = ---------- ND ni 2 np = ---------- NA

13. SIFAT ELEKTRIK • Sifat Listrik dari Logam dan Semikonduktor : • Logam : • Bersifat unipolar, menghantar arus hanya dengan muatan-muatan (elektron-elektron) yang menpunyai satu tanda saja. • Semikonduktor : • Bersifat bipolar, mengandung pembawa-pembawa arus dengan muatan yang berlawanan.

14. PENENTUAN KONSENTRASI PEMBAWA • Dari teori tentang Hukum Aksi-Massa maka didapat : “Bahwa dengan memberi takmurnian pada semikonduktor intrinsik tidak hanya menaikkan konduktivitas, tapi dapat juga digunakan utk menghasilkan semikonduktor dengna pembawa listrik, sebagian terbedar lubang atau sebagian terbesar elektron “ • Dalam semikonduktor tipe-n, elektron-elektron disebut pembawa mayoritas dan lubang adalah pembawa minoritas. • Dalam semikonduktor tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

15. PERSAMAAN ALIRAN ARUS & PERSAMAAN POISSON • Persamaan Aliran arus : • Persamaan Poisson : adalah permitivitas. J dalam ampere meter kuadrat, A adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat d2V  --------- = - ----- dx2 