Makalah-kimia Bahan

[Year] SEMIKONDUKTOR TIPE-N

STT-PLN

MARIO WIRYA Mahasiswa STT-PLN 2005-11-132

SEMIKONDUKTOR TIPE-N Oleh : Mario Wirya

Abstrak

Semikonduktor (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. Sekarang ini, semikonduktor mempunyai peranan yang penting dalam bidang elektronika yang penggunaannya pada arus lemah dan arus kuat. Secara umum semikonduktor terbagi menjadi semikonduktor murni (intrinsik) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Bahan semikonduktor yang umunya digunakan yaitu Silikon dan Germanium. Silikon dan germanium murni pada suhu nol (absolut) merupakan isolator. Semikonduktor mempunyai keunikan yaitu konduktivitasnya bertambah dengan kenaikan suhu.

By : Mario Wirya

[2]

DAFTAR ISI

JUDUL ABSTRAK DAFTAR ISI Pendahuluan Tujuan PEMBAHASAN Bab 1 : Struktur Bahan Semikonduktor Tipe-n 1.1 Unsur-unsur dan Ikatan pada Bahan Semikonduktor Tipe-n 1.2 Susunan Bahan Semikonduktor Tipe-n BAB 2 : Sifat Dasar Bahan Semikonduktor Tipe-n 2.1 Sifat-sifat Listrik 2.2 Sifat Non Listrik 2.3 Pengukuran Sifat Bahan Semikonduktor Tipe-n BAB 3 : Analisa Sifat Bahan Semikonduktor Tipe-n 3.1 Tinjauan Teoritis 3.2 Hukum dan Rumus Terkait 15 3.3 Faktor dari Luar dan Faktor dari Dalam yang Berpengaruh 16 BAB 4 : Klasifikasi Bahan Semikonduktor BAB 5 : Sifat Khusus Bahan Semikonduktor Tipe-n 5.1 Umum 5.2 Persyaratan Minimum Standar 5.3 Pemenuhan Persyaratan BAB 6 : Fungsi dan Penggunaan Bahan Semikonduktor Tipe-n 6.1 Fungsi dan Peranan Bahan Dalam Bidang Teknik 6.2 Pemanfaatan Bahan 21 BAB 7 : Teknologi 7.1 Bahan Baku dan Penyediaannya 22 7.2 Proses Pembuatan Bahan 23 7.3 Pemasangan Bahan Pada Peralatan BAB 8 : Pemilihan Bahan Semikonduktor Tipe-n 8.1 Perbandingan dengan Bahan Lain 8.2 Pertimbangan Pemilihan Bahan 27 BAB 9 : Pemeriksaan dan Pengujian Bahan 9.1 Persyaratan Minimal Standar 9.2 Metode Pengukuran dan Pengujian Kesimpulan DAFTAR PUSTAKA

By : Mario Wirya

[3]

2 3 4 4 5 5 5 8 9 9 11 13 14 14

17 18 19 19 20 21 21 22

24 25 25 28 28 29 30 32

Pendahuluan Semikonduktor merupakan alat yang banyak kegunaannya dalam bidang teknik, terutama dalam pembuatan chip. Untuk itu penting bagi orang yang sedang mempelajari teknik terutama teknik elektro untuk mengetahui tentang semikonduktor. Alat-alat yang terbuat dari semikonduktor diantaranya seperti diode, transistor, arestor, dan masih banyak lagi. Semikonduktor dapat terbuat dari Silikon dan Germanium tetapi madih banyak bahan-bahan semikonduktor lainnya. Semikonduktor intrinsik hanya terbuat dari Silikon atau Germanium murni. Sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik unsur-unsur tadi diberi pengotoran dengan tujuan agar konduktivitasnya bertambah. Pengotor-prngotor tersebut disisipkan pada atom /unsur utama dengan proses yang disebut dopping (pengotoran). Unsur-unsur yang ditambahkan tadi memberi karakterisitik yang berbeda pada semikonduktor. Maka semikonduktor terbagi lagi mejadi dua yaitu semikonduktor tipe-n yang diberi pengotor atom yang bervalensi lima, dan semikonduktor- tipe-p yang diberi pengotor atom yang bervalensi tiga. Silikon dan germanium mempunyai elektron valensi empat sehingga bila diberi tambahan atom yang bervalensi lima maka semikonduktor menjadi kelebihan elektron. Sedangakan bila diberi atom yang bervalensi tiga maka semionduktor akan kekurangan elektron dan akan timbul hole. Konduktivitas dari semikonduktor bertambah seiring bertambahnya suhu. Untuk semikonduktor ekstrinsik ada suhu tertentu dimana kkonduktivitasnya konstan. Pada dasarnya pengaruh suhu terhadap konduktivitas dari semikonduktor tipe-n dan tipe-p sama maka untuk membedakannya dengan menggunakan percobaan yang disebut Hall effect.

Tujuan 1. Mengetahui unsur-unsur dan ikatan semikonduktor. 2. Mengetahui sifat-sifat semikonduktor dan faktor-faktor yang mempengaruhinya. 3. Mengetahui fungsi dan peranan bahan semikonduktor. 4. Mengetahui perbedaan semikonduktor intrinsik, ekstrinsik, tipe-n dan tipe-p. 5. Mengetahui cara membedakan semikonduktor dengan percobaan Hall.

By : Mario Wirya

[4]

PEMBAHASAN

Bab 1 : Struktur Bahan Semikonduktor Tipe-n 1.1

Unsur-unsur dan Ikatan pada Bahan Semikonduktor Tipe-n Semikonduktor tipe-n termasuk semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor yang diberi tambahan elektron bebas atau lubanglubang yang berasal dari atom asing. Pada umumnya semikonduktor, baik semikonduktor intrinsik (semikonduktor netral) maupun semikonduktor ekstrinsik bahan utamanya terbuat dari Silikon (Si) atau Germanium (Ge). Unsur-unsur yang ada pada semi konduktor tipe-n yaitu : - unsur utama : Silikon (Si) atau Germanium (Ge) - unsur tambahan /pengotor : Arsen (As), Phospor (P), atau Antimon (Sb). Silikon dan Germanium merupakan unsur-unsur dari golongan IV A. Beberapa elemen yang bersebelahan dengan group IV A (golongan IV A) seperti B (Boron) golongan III A dan Te (Telurium) golongan VI A umunya digunakan sebagai pengotor pada silikon atau germanium sehingga didapat semikonduktor ekstrinsik.Semikonduktor tipe-n diberi tambahan elektron bebas sedangkan semikonduktor tipep diberi tambahan lubang (muatan positif). Untuk semikonduktor tipe-n digunakan pengotor dari golongan V A yang bervaklensi 5. Golongan III A – VIII A termasuk unsur blok p disebut juga golongan karbon. Unsur-unsur dari golongan IV A mempunyai elektron valensi 4. Tetapi Si dan Ge memiliki periode yang berbeda dimana Si merupakan unsur yang termasuk periode ketiga sedangkan Ge merupakan unsur yang termasuk periode keempat. Si dan Ge termasuk unsur semilogam (metaloid) yaitu unsur peralihan dari logam ke nonlogam sehingga mempunyai sifat sebagian logam dan sebagian nonlogam. Selain Si dan Ge, unsur-unsur lain yang termasuk metaloid yaitu Boron (B) dan Arsen (As) yang sering diigunakan sebagai pengotor dalam semikonduktor ekstrinsik. Meskipun Silikon dan Germanium merupakan bahan semikonduktor yang sering digunakan masih banyak lagi bahan-bahan lain yang juga merupakan unsur-unsur dari semikonduktor. Bahanbahan tersebut dapat dilihat dari tabel periodik berikut :

By : Mario Wirya

[5]

III A B Al Ga In Tl

IV A C Si Ge Sn Pb

VA N P As Sb Bi

VI A O S Se Te Po

VII A F Cl Br I At

Bahan-bahan tersebut dikenal dengan sebutan elemental semikonduktor. Selain itu banyak juga semikonduktor campuran (compound semiconductor) seperti metallic-oxid dan sulfides. Banyak dari bahan-bahan ini yang memiliki kegunaan yang sangat penting. Seperti PbS digunakan untuk fotokonduktif, BaO untuk Oxite Coated cathodes, Cesium antimode untuk photomultipliers, Si yang berikatan dengan Arsen yang membentuk semikonduktor tipe-n, dan lain sebagainya. Bahan-bahan yang ditulis tebal merupakan bahan pengotor pada semikonduktor tipe-n. Disini akan dibahas bahan-bahan atau unsur-unsur yang umum digunakan pada semikonduktor type-n yaitu : - Silikon (Si) nomor atom 14, [Ne]3s23p2 ,mempunyai empat elektron bebas ikatan antar atom Si membentuk ikatan kovalen. Jari-jari atomnya 1,46 x 10-10m. Energi ionisasinya 188 kkal/mol. Afinitas elektronnya 31,9 kkal/mol. Kelektronegatifan dari Si yaitu 1,8. - Selain Silikon juga dapat digunakan Germanium (Ge) nomor atom 32, [Ar]3d104s24p2 ,mempunyai empat elektron bebas ikatan antar atom Ge juga membentuk ikatan kovalen. Jari-jari atom Ge lebih besar dari Si yaitu 1,22 x 10-10m. Sedangkan energi ionisasinya lebih kecil dari Si yaitu 182 kkal/mol, begitu pula afinitas elektronnya yaitu 27,7 kkal/mol. Sedangkan keelektronegatifan dari Ge lebih besar dari Si yaitu 2. - Untuk atom pengotor pada semikonduktor tipe-n digunakan bahan yang bervalensi lima misalnya : Arsen (As) nomor atom 33, [Ar]3d104s24p3 ,mempunyai lima elektron bebas pada kulit terluar. Karena itu, bila Arsen digabung dengan silikon atau germanium maka semikonduktor akan menjadi semikonduktor tipe-n. Selain Arsen, unsur lain yang digunakan sebagai pengotor pada semikonduktor tipe-n yaitu phospor dan antimon yang merupakan unsur golongan V A. Jari-jari atom, energi ionisasi, afinitas elektron, dan kelektronegatifan dari unsur-unsur tersebut akan mempengaruhi sifat hantaran, sifat listrik maupun sifat non listrik pada semikonduktor. Ikatan antar Silikon maupun ikatan antar Germanium merupakan ikatan kovalen. Atom tambahan yang digunakan sebagai [6] By : Mario Wirya

pengotor juga membentuk ikatan kovalen dengan unsur utama. Ikatan antar atom Si maupun ikatan antar atom Ge dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Keterangan :

= atom Si atau Ge

Gambar 1

Ikatan antar atom diatas merupakan ikatan kovalen. Ikatan kovalen merupakan ikatan antar atom yang kuat dan tidak mudah dipisahkan. Susunan atom tersebut tersusun dalam suatu struktur kisi dapat dikatakan susunan atomnya membentuk susunan kristal. Dari gambar 1 dapat dilihat elektron valensi (elektron bebas) dari Si atau Ge berjumlah empat dan saling berikatan dengan atom lainnya, sehingga pada Si atau Ge murni tidak terdapat elektron bebas yang menyebabkan tidak adanya konduksi yang dapat terjadi kecuali bila ikatannnya diputus dan struktur kristalnya dirusak. Untuk menimbulkan konduksi tanpa merusak susunan kristal maka perlu mengganti atom yang bervalensi empat dengan atom bervalensi tiga atau lima. Proses ini dikenal dengan sebutan doping. Jadi dapat disimpulkan bahwa Si dan Gel murni (semikonduktor intrinsik) memiliki konduktivitas yang lebih rendah dibandingkan Si dan Ge yang sudah didoping. Dalam keadaan padat ikatan antar atom Si atau Ge mengkristal, dan ikatannya merupakan ikatan kristal. Susunan kristalnya menyerupai susunan kristal pada intan, dapat pada gambar dibawah ini :

Gambar 2

Susunan kristalnya menunjukkan setiap atom dikelilingi oleh empat atom lainnya pada sudut-sudut dari regular tethrahedron. Kisi-kisinya terdiri dari atom yang menempati sisi-sisi kubik (face centered cubic), [7] By : Mario Wirya

ditambah empat atom yamng menempati dalam kubus. Ikatan antar dua atomnya membentuk sudut kira-kira 109°. Ikatan antar atom pada struktur ini dan atom lainnya disebut ikatan kovalen karena ikatan ini terjadi oleh sepasang elektron, yang diberikan oleh masing-masing atom. Ikatan ini termasuk ikatan homopolar, berbeda dengan ikatan ionik yang heteropolar. 1.2

Susunan Bahan Semikonduktor Tipe-n Bahan Semikonduktor tersusun dari unsur-unsur seperti Si dan Ge. Semikonduktor intrinsik hanya tersusun dari unsur Si atau Ge yang murni, dan semikonduktor ekstrinsik (semikonduktor tipe-n atau tipe-p) tidak hanya tersusun dari unsur Si atau Ge tetapi juga pengotor yang merupakan unsur bervalensi lima atau empat. Bila Si atau Ge diberi pengotor unsur bervalensi lima maka akan dihasilkan semikonduktor tipe-n (bahan yang kelebihan elektron, sehingga bersifat negatif). Sedangkan, bila Si atau Ge diberi pengotor unsur bervalensi tiga maka akan dihasilkan semikonduktor tipe-p (bahan yang kekurangan elektron, sehingga bersifat positif). Susunan bahan semikonduktor intrinsik dapt dilihat pada gambar1, hanya terdiri dari unsur Si atau Ge. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-n dan tipe-p dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

lobang Gambar 3

elektron bebas Gambar 4

Pada gambar 3 menunjukkan material tipe-p silikon dan germanium terdoping. Gambar 4 menunjukkan material tipe-n silikon dan germanium terdoping. Sedangkan bila dilihat dari pita energinya dapat digambarkan sebagai berikut : Pita Konduksi

Pita Konduksi

donor

By : Mario Wirya

akseptor

Pita Valensi

Pita Valensi

Gambar 5

Gambar 6

[8]

Gambar 5 menunjukkan pita energi pada semikonduktor tipe-n, sedangkan gambar 6 menunjukkan pita energi pada semikonduktor tipe-p. Pada semikonduktor tipe-p atom yang dipasang menimbulkan hole, atom tersebut disebut atom akseptor (mempunyai lobang). Sebagai atom akseptor adalah atom dari boron, alumunium, gallium,indium. Letak atom akseptor pada celah energi lebih dekat pada pita valensi (gambar 6). Untuk semikonduktor tipe-n, atom yang menggantikan Si atau Ge bervalensi 5 sehingga bahan menjadi kelebihan elektron. Atom yang menggantikan disebut atom donor. Letak atom donor pada celah energi lebih dekat dengan pita konduksi. Pada bahan semikonduktor yang bertindak sebagai pembawa muatan adalah hole dan elektron bebas. Pada bahan jenis p pembawa muatannya adalah hole sedangkan pada bahan jenis n pembawa muatannya adalah elektron bebas.

BAB 2 : Sifat Dasar Bahan Semikonduktor Tipe-n 2.1

Sifat-sifat Listrik Bahan semikonduktor memiliki daya hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar dibandingkan bahan isolator. Proses konduksi pada bahan-bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi. Pita energi dibagi menjadi tiga yaitu : - Pita valensi yaitu pita energi terakhir yang terisi penuh (zone penuh). - Pita konduksi yaitu pita diatas pita pita valensi yang berisi setengah penuh atau kosong (zone bebas). - Diantara pita konduksi dan valensi terdapat celah energi yang disebut pita terlarang (zone terlarang). Bahan-bahan konduktor, semikonduktor dan isolator memiliki pita energi yang berbeda. Dapat dilihat pada gambar berikut :

Pita konduksi Celah energi Pita valensi (a) isolator

(b) semikonduktor

(c) konduktor

Pada konduktor jarak kedua pita sangat dekat sekali bahkan hampir menumpuk. Pada isolator jarak keduanya cukup jauh sehingga [9] By : Mario Wirya

elektron dari zone penuh tidak dapat pindah ke zone bebas. Sedangkan pada semikonduktor jarak keduanya tidak begitu jauh dan ini memungkinkan elektron dapat berpindah jika dipengaruhi oleh faktor luar misalnya : - panas - medan magnet - tegangan yang tinggi Kristal silikon disusun oleh atom-atom karbon sehingga pita energinya menyerupai pita energi pada intan. Tetapi celah energi dalam silikon hanya 1,1 eV tidak sebesar intan 6 eV. Pada suhu sangat rendah, semua elektron terluar silikon berada pada pita valensi, sedangkan pada pita konduksinya kosong. Tetapi pada suhu kamar, sebagian kecil elektron dalam pita valensi akibat gerak termalnya memiliki energi kinetik yang cukup untuk melewati pita terlarang, elektron-elektron ini cukup untuk menimbulkan arus listrik kecil ketika medan listrik luar diberikan pada kristal. Daya hantar pada semikonduktor selain bergantung pada jarak pita energinya juga bergantung dari sifat unsur itu sendiri yaitu sifat periodiknya. Sifat-sifat itu diantaranya : - Jari-jari atom yaitu jarak antara kulit inti dengan kulit terluar. Semakin jari-jari atomnya kecil maka ikatan antara inti atom dengan elektron pada setiap kulit semakin kuat. - Energi ionisasi yaitu energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron terluar dari suatu atom. Energi ionisasi mempengaruhi sifat listrik dari suatu unsur semakin kecil energi ionisasi suatu unsur maka semakin mudah melepaskan elektron. Jadi dapat dikatakan Germanium lebih mudah melepaskan elektron dari pada Silikon karena Ge memiliki energi inonisasi yang lebih kecil dari Si. Berikut tabel yang berisi beberapa energi ionisasi pada semikonduktor jenis-n dan jenis-p. Bahan Pengotor Jenis – n Phospor Arsen Antimon Jenis – p Boron Alumunium Gallium Indium

Si (eV) 0,044 0,049 0,039 0,045 0,057 0,065 0,16

Ge (eV) 0,012 0,013 0,010 0,010 0,010 0,011 0,011

Tabel 1

-

Afinitas elektron yaitu besarnya energi yang dilepaskan jika suatu atom menangkap elektron. Semakin besar energi yang dilepaskan

By : Mario Wirya

[10]

suatu atom semakin mudah atom-atom tersebut menangkap elektron. - Keelektronegatifan yaitu kecenderungan suatu atom untuk menangkap atau menarik elektron dari atom lain. Konstanta dielektrik juga mempengaruhi energi ionisasi dari bahan semikonduktor. Kosntanta dielektrik relatif untuk germanium εr = 16 sedangkan silikon εr = 12. Karena itulah energi ionisasi dari silikon lebih besar dari germanium. Energi inonisasi dari beberapa perhitungan dapat dilihat pada tabel 1. Daya hantar mempengaruhi sifat hantaran yang dikenal juga dengan konduktivitas. Konduktivitas dari bahan dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya yaitu suhu. Berikut contoh bahan semikonduktor dan resistivitasnya pada suhu 20°C : Bahan Semikonduktor Ge (murni) Si (murni) Fe3O4 InSb Sn Se

Resistivitas (ohm.m) 0,47 0,30 ∼ 0,01 ∼ 2 x 104 ∼ 2 x 10-6 20 x 10-7

Tabel 2

Besar konduktivitas berbanding terbalik dengan resistivitas ( σ = 1/ρ) 2.2

Sifat Non Listrik Ada beberapa faktor dari luar yang mempengaruhi sifat hantaran pada semikonduktor diantaranya : - Suhu Suhu merupakan faktor utama, karena suhu mempengaruhi konduktivitas dan resistivitas bahan. Penurunan resistivitas pada semikonduktor sangat cepat dengan kenaikan suhu. Walaupun pada suhu sangat rendah (suhu dimana hidrogen berbentuk cair), semikonduktor jadi tidak dapat dibedakan dengan bahan isolasi. Tetapi bila pada suhu diatas suhu tersebut semikonduktor memiliki ciri khas tersendiri. Pengaruh suhu terhadap resistivitas dapat dilihat dari grafik berikut :

By : Mario Wirya

[11]

ρ

Gambar 7

-

-

-

-

T

Sifat penghantaran arus listrik pada semikonduktor semakin bertambah dengan kenaikan suhu. Dari gambar diatas dapat dilihat dua bentuk yang khas dari semikonduktor berdasarkan fungsi dari suhu. Karena itu unsur-unsur yang memiliki penurunan resistivitas terhadap kenaikan suhu merupakan sifat umum yang dapat mengklasifikasikan bahan tersebut sebagai semikonduktor. Hukum atau persamaan dari konduktivitas dapat dilihat pada rumus terkait. Untuk semikonduktor ekstrinsik grafik terhadap kenaikan suhunya ditunjukkan pada grafik yang lebih tinggi. Sedangkan garafik yang lebih rendah menunjukkan pengaruh suhu terhadap semikonduktor secara umum pada semikonduktor intrinsik. Cahaya Faktor cahaya juga mempengaruhi sifat hantaran pada semikonduktopr, karena ada semikonduktor yang peka terhadap cahaya. Semikonduktor yang peka terhadap cahaya disebut atau dinamakan photoelectric. Pada photoelectric resistansinya rendah bila terkena cahaya sedangkan bila gelap resistansinya naik. Sifat ini juga digunakan pada solar cell. Hanya memiliki tambahan khusus. Jadi resistansi dalam keadaan terang lebih kecil dari resistansi dalam keadaan gelap. Tegangan yang diberikan Semikonduktor yang bergantung dari besar kecilnya tegangan disebut juga varistor. Pada varistor resistansi berubah menurut tegangan. Medan listrik Medan listrik juga mempengaruhi besar kecilnya resistansi pada semikonduktor. Semikonduktor yang berpengaruh terhadap perubahan medan listrik disebut juga transistor. Impurities

By : Mario Wirya

[12]

Impurities / pengotoran juga berpengaruh pada sifat hantaran dari bahan semikonduktor. Impurities pada bahan semikonduktor sangat berpengaruh pada bahan semikonduktor. Sifat hantaran (konduktivitas) pada semikonduktor menjadi semakin bertambah. Sedangkan resistansinya semakin berkurang. Pengotoran ini membagi semikonduktor menjadi dua tipe yaitu tipe-n dan tipe-p. Bahan smikonduktor yang dipengaruhi oleh impurities disebut juga rectifier. 2.3 Pengukuran Sifat Bahan Semikonduktor Tipe-n Sifat bahan semikonduktor dapat diukur dari konduktivitasnya. Konduktivitas pada semikonduktor secara umum yaitu : σ = nn.qn.µn + np.qp.µp Dimana n yaitu molalitas, q adalah pembawa muatan, sedangkan µ menunjukkan pembawa gerakan (carrier mobility). Dimana, n menunjukkan pembawa muatan negatif (elektron) sedangkan p yaitu pembawa muatan positif (hole). Untuk benda padat seperti unsur silikon, konduksi berlangsung dari pita valensi ke pita konduksi. Dimana elektron adalah pembawa muatan negatif. Pergerakan elektron dari pita valensi menghasilkan lubang (hole), yaitu pembawa muatan positif. Karena itu kepadatan / jumlah elektron (nn) sama dengan kepadatan lubang (np), persamaan diatas dapat ditulis : σ = n.q.(µe+µh) Dimana sekarang n yaitu kepadatan dari elektron yang dilambangkan e sedangkan h melambangkan lubang. Selain konduktivitas juga dapat dihitung energi inonisasi dari semikoduktor. Kita asumsikan elektron bergerak melingkar dengan radius r sesuai model atom Bohr, dan dengan kecepatan v. Kita memperoleh keadaan pada jarak equilibrium yaitu : ___e2___= m.v2 4π.εo.εr.r2 r Total energi dari elektron yang berputar itu yaitu : W = Wkin + W pot = 1 mv2 + W pot 2 2 = ___e ___ - ___e2___ = - ___e2___ 8π.εo.εr.r2 4π.εo.εr.r2 8π.εo.εr.r2 Karena By : Mario Wirya

m.v.r = h / 2π [13]

(ponsulat kuantum)

Bila kedua ruas dikuadratkan lalu dibagi dengan dengan v2 dari persamaan jarak equlibrium, maka persamaan diatas menjadi : r = εo.εr.h2 m.e2.π Maka total energi dari persamaan W dapat ditulis menjadi : W = - _ m.e4 _ 8.εo2. εr2.h2 Dari persamaan r didapat radius dari elektron proposional dengan εr. Radius dari orbit elektron di dalam germanium yang dikotori dengan Sb yaitu ≅ 16 x 0,53 ≅ 8,5 angstrom. Selain itu dari persamaan terakhir, energi total proposional terhadap 1/εr.

BAB 3 : Analisa Sifat Bahan Semikonduktor Tipe-n 3.1

Tinjauan Teoritis Bahan semikonduktor memiliki sifat antara konduktor dan isolator. Pada silikon dan germanium murni tidak terdapat elektron betas sehingga memiliki konduktivitas yang sangat kecil, karena proses pengotoran konduktivitasnya menjadi bertambah besar. Pengotor pada semikonduktor tipe-n yaitu unsur-unsur yang bervalensi lima. Sehingga unsur tadi berikatan dengan Si atau Ge menyebabkan adanya kelebihan elektron pada semikonduktor. Karena kelebihan elektron maka pembawa muatan pada bahan ini yaitu elektron karena itu semikonduktor ini disebut semikonduktor tipe-n. Atom donor pada pita energi pada suhu mutlak 0°, atom donor tidak terionisasi. Atom donor terionisasi bila mendapat panas yang dikenal dengan konduksi karena elektron. Proses ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini : Pita Konduksi wi wg

Pita Konduksi

letak atom donor

Pita Valensi

Gambar 8

atom donor terionisasi

Pita Valensi

Gambar pita energi di sebelah kiri atas sama dengan pita energi semikonduktor intrinsik. Dimana pita valensi terisi sedangkan pita konduksinya kosong. Bagaimanapun, atom donor menempati sebagian celah energi yang hanya mengambil tempat sedikit di bawah pita konduksi. Titik hitam pada gambar di atas menunjukkan elektron. By : Mario Wirya

[14]

Saat temperatur meningkat, getaran pada kisi-kisi molekulnuya semakin kuat, dan dengan menyerap sejumlah energi beberapa atom donor terionisasi. Atom tersebut melepaskan elektron ke pita konduksi seperti pada gambar di sebelah kanan atas. Karena energi ionisasi dari atom donor lebih kecil dari energi yang diperlukan untuk meloncat ke pita konduksi (W g), atom donor akan melewatkan elektron elektron ke pita konduksi pada suhu yang lebih rendah dari suhu yang diperlukan pita konduksi. 3.2

Hukum dan Rumus Terkait Secara umum konduktivitas dari semikonduktor yaitu : σ = nn.qn.µn + np.qp.µp atau dapat ditulis juga σ = n.q.(µe+µh) Karena kenaikan konduktivitas dipengaruhi oleh suhu maka dapat ditulis : σ = σo.e-Eg/2kT Dimana σo adalah kenaikan konstan dari kenaikan konduksi, sama seperti persamaan Arrheanus. Yang besarnya : σo = 2π.m.k.T 3/2 me.mh 3/4 T3/2 m2 h2 dimana : me = massa elektron mh = massa lubang h = konstanta Planck ( 6,62 x 10-34 joule.sekon) Dengan melogaritma kedua sisi didapat: lnσ = lnσo.-Eg.1 2k T k yaitu konsatanta Boltzmann, dan Eg yaitu energi antara pita konduksi dan pita valensi (sama dengan W g). Sedangkan pada semikonduktor tipe-n, karena pembawa muatannya yaitu elektron dari atom donor maka konduktivitasnya dapat ditulis : σ = n.q.µe Semikonduktor tipe-n termasuk semikonduktor ekstrinsik yang mana kenaikan suhunya mengikuti jalan Arrhenius. Jadi persamaan diatas dapat ditulis juga : σ = σo.e-(Eg-Ed)/2kT

By : Mario Wirya

[15]

Dimana Eg-Ed adalah besarnya energi antara atom donor dan pita konduksi (lihat pada gambar 8). Dimana Eg = W g, dan Ed = Wi. 3.3

Faktor dari Luar dan Faktor dari Dalam yang Berpengaruh Faktor dari luar yang berpengaruh pada semikonduktor yaitu suhu. Suhu merupakan faktor utama yang berpengaruh terhadap besarnya konduktivitas pada bahan. Pengaruh suhu pada bahan semikonduktor tipe-n dapat dilihat dari persamaan σ = σo.e-(Eg-Ed)/2kT yang menyerupai persamaan konduktivitas untuk semikonduktor intrinsik. Karena hanya ada satu pembawa muatan seperti pada semikonduktor intrinsik. Dapat dilihat dari grafik (kiri) berikut : T T

lnσ

lnσ

kemiringan=-Eg (bersifat intrinsik) 2k

kemiringan=-(Eg-Ed) K

exhaustion range

kemiringan=-(Eg-Ed) k (bersifat ekstrinsik)

1/T

Gambar 9

1/T

Pada semikonduktor tipe-n konduksinya terjadi oleh adanya pengotoran oleh atom yang bervalensi lima, sehingga pembawa muatannya yaitu elektron. Maka, pada semikonduktor tipe-n lebih mudah menghasilkan panas dari pada konduksi pada semikonduktor intrinsik. Konduksi pada semikonduktor ekstrinsik tidak bisa menjadi lebih besar dari konduksi oleh atom donor (atom pengotor). Yakni satu konduksi persatu-satuan atom donor. Hasilnya ditunjukkan pada grafik disebelah kiri atas yang mana konduktivitasnya memiliki batas temperatur tertentu dimana semua elektron telah pindah ke pita konduksi. Grafik disebelah kanan atas mengambarkan konsep ini. Grafik tersebut mewakili persamaan σ = σo.e-(Eg-Ed)/2kT untuk semikonduktor ekstrinsik dan persamaan σ = σo.eEg/2kT untuk semokonduktor intrinsik. Tetapi perlu diingat nilai σo-nya berbeda. Pada temperatur yang rendah (lebih besar dari 1/T) semikonduktor lebih bersifat ekstrinsik. Pada keadaan lelah (exhaustion range) grafiknya mendekati gars lurus horizontal, yang By : Mario Wirya

[16]

mana semua elektron bebas dari atom donor telah pindah ke pita konduksi. Ketika suhunya naik ( lebih rendah dari 1/T) karena pengaruh kenaikan temperatur, konduktivitasnya tidak turun dengan tajam. Perubahan ini menyerupai sifat dari metal yang mana bila konduksinya (perpindahan elektron) sudah mencapai titik tertentu, tetapi mobilitasnya hanya sedikit berkurang (turun). Ketika temperatur terus naik maka konduktivitasnya seperti pada semikonduktor intrinsik (Si atau Ge murni) yang lebih besar dari pada pembawa muatan semikonduktor ekstrinsik. Keadaan jenuh (exhaustion range) sangat berguna dalam mengurangi kerugian akibat suhu dari rangkaian listrik (electrical circuit). Pada saat itu konduktivitasnya mendekati konstan dengan kenaikan perubahan temperatur. Faktor luar tersebut juga dipengaruhi faktor dalam yaitu : - Jenis bahan utama yang digunakan, karena energi ionisasi masingmasing unsur/bahan berbeda sehingga mempengaruhi besarnya konduktivitas. Seperti Ge hampir seluruh atom donornya terionisasi diatas suhu udara menjadi cair. - Jenis bahan pengotor yang digunakan. Misalnya bila semikonduktor ekstrinsik yang memiliki resistivitas 0,001 ohm.m (pada suhu kamar), menjadi intrinsik pada ±200°C. - Pembawa muatan pada semikonduktor tersebut (elektron atau hole).

BAB 4 : Klasifikasi Bahan Semikonduktor  

  

Secara umum bahan terbagi menjadi dua yaitu : Bahan organik yaitu bahan yang berasal dari zat-zat organik (berasal dari makhluk hidup) misalnya : minyak bumi Bahan anorganik yaitu bahan-bahan yang berasal dari zat-zat anorganik (bukan dari makhluk hidup) misalnya : besi Berdasarkan kemagnetannya maka bahan dibagi menjadi : Diamaknit yaitu bahan yang sulit ditarik magnet (µ < 1), contoh : seng, emas Paramaknit yaitu bahan yang dapat ditarik magnet (µ>1), contoh : alumunium, magnesium Ferromaknit yaitu bahan yang mudah ditarik magnet (µ>>>1), contoh : besi, kobal Ditinjau dari sifat elektriknya bahan terbagi menjadi 3 yaitu :

By : Mario Wirya

[17]







Bahan isolasi (dielektrik) yaitu bahan yang sulit mengantarkan arus listrik. Terbagi lagi menjadi : • Bahan isolasi padat, contoh : keramik. • Bahan isolasi cair, contoh : minyak mineral • Bahan isolasi gas, contoh : udara. Bahan konduktor yaitu bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Bahan konduktor (penghantar terbagi lagi menjadi : • Bahan super konduktor, contoh : Al (alumunium) • Bahan thermocouple, contoh Cu (tembaga) Bahan semikonduktor yaitu bahan yang memiliki sifat antara keduanya. Bahan semikonduktor terbagi menjadi : • Semikonduktor intrinsik yaitu semikonduktor yang hanya terdiri dari Ge atau Si murni. Sehingga jumlah elektronnya sama dengan jumlah proton dalam inti. Karena pengaruh dari luar, pada semikonduktor terjadi proses rekombinasi yaitu proses terisinya sebuah lubang oleh elektron disebelahnya. Hal ini terjadi karena adanya elektron yang melompat dari pita valensi ke pita konduksi, karena pengaruh thermal (panas) atau medan listrik. Elektron yang melompat menimbulkan kekosongan (hole), yang menarik elektron yang ada di sebelahnya. Demikian seterusnya sehinga semikonduktor ini tetap bersifat netral. • Semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor yang diberi tambahan elektron bebas atau hole yang berasal dari atom asing yang disisipkan. Proses ini disebut pengotoran atau doping. Tujuannya untuk meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Berdasrkan pengotornya semikonduktor ekstrinsik dibagi lagi menjadi :  Semikonduktor tipe-n yaitu semikonduktor yang diberi pengotor atom bervalensi lima (mis: Arsen), sehingga kelebihan elektron. Pembawa muatannya yaitu elektron yang berasal dari atom pengotor (atom donor). Maka disebut semikonduktor tipe-n (negatif).  Semikonduktor tipe-p yaitu semikonduktor yang diberi pengotor atom yang ebrvalensi tiga (mis: Indium), sehingga menjadi kekurangan elektron. Pembawa muatannya yaitu hole (muatan positif), oleh karena itu disebut semikonduktor tipe-p (positif).

BAB 5 : Sifat Khusus Bahan Semikonduktor Tipe-n By : Mario Wirya

[18]

5.1

Umum Semikonduktor tipe-n merupakan semikonduktor ekstrinsik yang diberi pengotor atau diberi atom donor yang bervalensi lima. Semikonduktor intrinsik, pada suhu 0° merupakan isolator. Sebaliknya pada semikonduktor tipe-n. Pada suhu rendah ( lebih kecil 1/T) semikonduktor bersifat ekstrinsik (pembawa muatannya berasal dari elektron atom donor). Tetapi pada saat tertentu dimana semua elektron dari atom donor telah berpindah ke pita konduksi maka konduktivitasnya hamopir konstan dengan kenaikan temperatur. Keadaan itu disebut exhaustion range. Tetapi bila suhunya meningkat lagi maka semikonduktor tipe-n mejadi bersifat intrinsik (pembawa muatannya berasal dari bahan itu sendiri). Konduktivitasnya berkurang sedikit. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat grafik pada gambar 9. Untuk semikonduktor tipe-p grafiknya juga sama. Perbedaannya hanya keadaan jenuh (saturation range) lebih lama dari exhaustion range pada semikonduktor tipe-n. Selain itu pembawa muatan pada semikonduktor tipe-n dan tipe-p berbeda. Untuk semikonduktor tipe-n pembawa muatannya lebih mayoritas elektron sedangkan pada tipe-p lebih mayoritas hole. Pengotoran pada semikonduktor intrinsik yaitu 1 atom asing untuk satu juta sampai 100 juta Atom intrinsik. Sebagai contoh, pengotoran kristal silikon murni dengan rasio 1 : 10 juta.

5.2

Persyaratan Minimum Standar Untuk semikonduktor tipe-n yang dikotori oleh atom lain yang bervalensi lima yang disebut atom donor. Ada dua syarat yang harus dipenuhi atom-atom pengotor yaitu : - ukuran atom pengotor harus sesuai dengan ukuran atolm murni karena atom pengotor akan menempati titik-titik kisi yang semula ditempati atom murni - Elektron valensi atom pengotor harus lebih banyak atau lebih sedikit dari pada atom murni. Berikut tabel yang berisi daya larut maksimum dari atom pengotor : Elemen Si

Ge By : Mario Wirya

Pengotor (dopant) B Al Ga P As Sb Al

Golongan III A III A III A VA VA VA III A

[19]

Daya larut ( atom/m3) 600 x 1024 20 x 1024 14 x 1024 1,000 x 1024 2.000 x 1024 70 x 1024 400 x 1024

Ga In As Sb

III A III A VA VA

500 x 1024 4x 1024 80 x 1024 10 x 1024

Tabel 3

Dari data diatas dapat diketahui berapa atom pengotor yang diperlukan pada semikonduktor agar konduktivitasnya meningkat. Persyaratan lain yaitu bahan utamanya (unsur utamanya) harus murni bebas dari pengotoran. Jadi bila digunakan silikon atau germanium harus menggunakan yang murni. Si dan Ge yang didapat dalam alam belum murni oleh karena itu diperlukan proses permunian agar Si dan Ge tersebut bersih dari pengotor. Bila Si dan Ge tidak bersih bisa tetap digunakan hanya daya hantarnya dan daya tahannya tidak sebagus semikonduktor yang terbuat dari Si dan Ge murni. Jarak antara atom donor harus lebih dekat pada pita konduksi,pada semikonduktor tipe-n. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-p jarak atom akseptor harus lebih dekat dengan pita valensi. Ketebalan pada bahan semikonduktor juga harus sedang (tidak terlalu tebal dan tidak terlalu tipis). Untuk semikonduktor tipe-p ataupun tipe-n yang digunakan pada semikonduktor tidak boleh melebihi 10 µm. 5.3

Pemenuhan Persyaratan Atom pengotor harus memenuhi standar bila ingin memperoleh semikonduktor yang diinginkan. Untuk semikonduktor tipe-n pengotornya harus atom yang bervalensi lima, sedangkan untuk semikonduktor tipe-p harus dengan atom yang bervalensi tiga. Ukuran dari atom pengotor juga harus sama dengan atom murninya. Persyaratan-persyaratan ini harus dipenuhi agar diperoleh semikonduktor yang diinginkan. Untuk atom murni atau bahan utamanya diperlukan Ge dan Si yang murni. Tetapi persyaratan itu tidak terlalu mutlak karena Ge sangat langka di alam ini dan Si banyak, permurnian kedua bahan ini juga membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Maka dari itu Si atau Ge yang tidak murni juga sering digunakan. Semikonduktor yang terbuat dari bahan tidak murni memiliki fungsi yang sama dengan semikonduktor murni hanya daya hantar, dan daya tahannya saja yang agak berkurang. Pada penggunaannya semikonduktor tipe-p dan tipe-n sering digabungkan. Pengabungan itu memiliki syarat-syarat tertentu, tergantung dari alat apa yang diperlukan. Selain itu semikonduktor juga harus memiliki struktur yang kuat seperti misalnya pada solar cell.

By : Mario Wirya

[20]

BAB 6 : Fungsi dan Penggunaan Bahan Semikonduktor Tipen 6.1

Fungsi dan Peranan Bahan Dalam Bidang Teknik Semikonduktor memiliki kelebihan dari bahan lainnya yaitu : - ukurannya kecil dan ringan - portable dan mobile - simple dan reliable design - memiliki kekuatan mekanis yang baik - tahan terhadap shocks (kejutan) dan vibrasi - umurnya panjang, dan umumnya tidak menua - setiap saat bisa dipakai (tidak perlu pemanasan) Bahan semikonduktor banyak digunakan dalam bidang teknik karena memiliki keuntungan seperti yang disebutkan diatas. Selain itu sifat hantarannya yang memiliki sifat antara konduktor dan isolator sangat menguntungkan dalam bidang teknik. Semikonduktor juga banyak digunakan sebagai bahan chip pada komputor yang sekarang ini sedang berkembang pesat. Selain itu semikonduktor juga dapa tdigunakan sebagai pengubah energi panas (dari matahari) menjadi energi listrik pada solar cell. Penggunan bahan semikonduktor dalam bidang teknik sangat luas diantaranya sebagai : - alat pemanas - refrigrator - photocell - power absorber dalam sistem radio - elemen pada instrumen ukur - pada sistem kontrol otomatis (mis: dioda) - pada arestor (surge arestor) untuk menghubungakan tegangan sorja (tegangan yang mendadak tinggi) ke tanah, sehingga alat terhindar dari tegangan berlebih. - pada memory element di komputer (chip) - pada rectifier

6.2

Pemanfaatan Bahan Pemanfaatan bahan semikonduktor dapat dilihat dari tabel berikut : Nama Semikonduktor

By : Mario Wirya

Penggunaannya

[21]

Barium Titinate (BaTi) Bismut Telurida (Bi2Te3) Cadmium Sulfida (CdS) Gallium Arsenida (GaAs) Germanium (Ge) Indium Antimonida (InSb) Indium Arsenida (InAs) Silikon (Si) Silikon Carbida (SiCb) Seng Sulfida (ZnS) Germanium Silikon(GeSi) Selenium (Se) Alumunium Stibium(AlSb) Gallium Phosphor (GaP) Indium Phosphor (InP) Tembaga Oksida Plumbun Sulfur (PbS) Plumbun Selenium(PbSe) Indium Stibium (InSb)

Termistor (PTC) Konvermasi termoelektrik Sel foto konduktif Diode, transistor, laser, led, generator. Gelombang mikro Diode, transistor Magneto resistor, plezo resistor, detektor, radiasi infra merah Piezo resistor Diode, transistor, IC Varistor Perangkat lunak penerangan elektro Pembangkitan termoelektrik Rectifier Diode penerangan Diode penerangan Filter infra merah Rectifier Foto sel Foto sel Detektor infra merah, filter infra merah, generator hall Tabel 4

BAB 7 : Teknologi 7.1

Bahan Baku dan Penyediaannya Unsur Silikon dan Germanium terdapat dialam. Unsur Silikon terdapat di alam sebagai senyawa silikat, contohnya silikon dioksida (SiO2) yang dikenal sebagai pasir kuarsa, tanah liat (Al2Si2O7.2H2O), dan juga seperti asbes serta mika. Silikon yang terdapat di alam belum murni, oleh karen yaitu perlu dilakukan proses pemurnian. Silikon lebih tahan panas dari Ge sehingga untuk memurnikannya lebih sukar. Sedangkan Germanium hanya terdapat sekitar 0,001% pada alam, dan terkandung dalam lapisan kerak bumi. Germanium dari hasil tambang berbentuk bubuk (grey powder). Ge seperti halnya Si, dari hasil tambang juga tidak murni sehingga diperlukan proses permurnian. Proses mendapatkan bahan baku Ge juga melibatkan proses kimiawi yang kompleks. Penyediaan bahan baku Si lebih banyak dari pada Ge, dan keduanya sama-sama terdapat di alam. Tetapi Ge juga memiliki kelebihan dari pada Si yaitu sifatnya yang tidak terlalu tahan panas (titik lebur rendah) sehingga untuk

By : Mario Wirya

[22]

memurnikannya tidak sukar hanya Ge terdapat sedikit sekali di alam. Karenba itu banyak digunakan bahan lain, yang dapat menggantikan Ge.

7.2

Proses Pembuatan Bahan Setelah bahan Si dan Ge diambiln dari alam dengan pertambang, pengeboran, dan lainnya, Si dan Ge tersebut masih harus dimurnikan lagi. Untuk Si proses pemurniannya sebagai berikut : - Silikon dibuat dengan cara mereduksi SiO2 dengan karbon dalam tenur listrik. Reaksinya : SiO2(s) + 2C(s) → Si(s) + 2CO(g) - Tetapi silikon yang dihasilkan dalam proses ini masih belum murni. Permurnian dilakukan lagi dengan menambahkan gas klorin berdasarkan persamaan reaksi : Si(s) + 2Cl2(g) → SiCl4(g) - Selanjutnya gas hasil reaksi direduksi dengan gas hidrogen pada suhu tinggi, sehingga diperoleh silikon yang murni dengan reaksi : SiCl4(g) + 2H2(g) → Si(s) + 4HCl(g) - Secara kimia silikon murni didapat dengan cara seperti diatas, tetapi silikon itu belum murni sekali hanya 99% murni. Oleh karena itu dilakukan proses lagi menggunakan tungku/ oven vertikal unutk memurnikannya. Dapat dilihat pada gambar dibawah ini : Keterangan : 1. Pipa quartz untuk mensuplai bahan 3 2. Poros untuk menarik dan memutar kristal 3. Pelat kuningan 4 4. Silinder / tabung dari quartz 5 5. Lubang inspeksi / pemeriksaan 7 6. Slevee untuk injeksi oksigen atau 6 8 Argon 11 9 7. Inoculation 8. Terjadi monocrystal padat 12 10 9. Cairan Si / Ge 10. Cawan graphite 11. Lapisan quartz Gambar 10 12. Kumparan (pemanas) Silikon /germanium yang belum murni dimasukkan ke dalam cawan graphite. Silikon tersebut masih berbentuk keras, tetapi menjadi cair akibat panas yang dihasilkan dari kumparan. Poros berputar secara perlahan sehingga silikon yang tadinya cair naik ke atas dan 1

By : Mario Wirya

2

[23]

perlahan-lahan menjadi dingin sehingga silikon kembali lagi menjadi bentuk kristal. Kotoran-kotoran dari silikon tetap ada di dasar cawan graphite tidak ikut perputaran poros. Sehingga kotoran-kotoran itu mengendap di bawah bercampur dengan sisa silikon. Proses ini dapat digunakan untuk memurnikan Ge atau Si. Untuk Germanium umunya dilakukan pemurnian dengan cara ekstrusi cairan (extrusion from the melt). Tetapi cara ini tidak dapat digunakan pada Silikon karena silikon bereaksi dengan perahu graphite pada suhu tinggi. Alat yang digunakan dapat dilihat pada gambar di bawah ini : 1

5

2

3

4 6

7

Gambar 11

Keterangan : 1. Tabung quartz 2. Belitan penghantar dengan arus frekuensi tinggi 3. Ge 4. Perahu graphite 5. Inert gas 6. Relting zone 7. Kereta Kereta bergerak sangat perlahan (1 mm/menit), dan belitan berarus frekuensi tinggi memanaskan Ge pada tempat tertentu (melting zone) sehingga Ge yang diletakkan diatas perhu graphite menjadi cair. Melting zone terus bergerak perlahan mengikuti gerakan kereta. Kotoran (impurities) yang tercampur dalam Ge lebih mudah larut dalam cairan dan berpindah di dalamnya dari pada di dalam keadaan padat. Kotoran tersebut akan perlahan-lahan ikut terus dalam cairan Ge, dan akhirnya pindah sampai ke ujung. Setelah sampai di ujung dan sudah mengkristal lagi kotoran tersebut tinggal dipotong. Jadi kotoran seolah-olah bergerak mengikuti kereta/ kumparan berarus. Dengan cara demikian diperoleh monokristal dari Ge. 7.3

Pemasangan Bahan Pada Peralatan Bahan-bahan semikonduktor yang banyak digunakan pada Peralatan umumnya menggunakan gabungan dari semikonduktor tipen dan tipe-p. Seperti pada diode, solar cell, dan masih banyak lagi. [24] By : Mario Wirya

Ada juga yang menggunakan gabungan dari tiga tipe semikonduktor alat tersebut yaitu transistor. Ada pula yang menggunakan lebih dari tiga gabungan yaitu thyristor. Pemasangan alat-alat yang menggunakan semikonduktor tersebut langsung dirangkai ke dalam rangkaian listrik. Dengan cara disolder (pada rangkaian elektronika) pada papan rangkaian. Sedangkan dalam alat yang menggunakan semikonduktor itu sendiri, semikonduktor tipe-n dan tipe-p disusun sedemikian rupa sehingga diperoleh alat yang diinginkan. Contohnya pada transistor susunan semikonduktornya bis p-n-p atau n-p-n. Tergantung dari fungsi yang dibutuhkan. Setelah semikonduktor disusun tentu diberi isolasi pada bagian luarnya karena semikonduktor juga dapat menghantarkan arus. Semikonduktor juga dihubungkan dengan kutub positif dan kutub negatif (anoda-katoda) pada peralatan. Jadi pemasangan semikonduktor pada peralatan tergantung dari fungsi peralatan tersebut. Tetapi yang pasti pemasangan semikonduktor pada perlatan juga menggunakan isolasi, dan umunya pada peraltan digunakan semikonduktor gabungan (p-n junction), yang mana susunannya bergantung kembali pada fungsi alat yang dibutuhkan.

BAB 8 : Pemilihan Bahan Semikonduktor Tipe-n 8.1

Perbandingan dengan Bahan Lain Semikonduktor tipe-p dan tipe-n memiliki kesamaan dalam pengaruhnya terhadap suhu. Pada suhu rendah semikonduktor tipe-n dan tipe-p bersifat ekstrinsik sedangkan pada suhu tinggi menjadi bersifat intrinsik. Keduannya hanya berbeda dari pembawa muatannya. Selain itu terdapat cara untuk mebedakan keduanya yaitu dengan suatu percobaan yang dikenal dengan Hall effect. Hall effect yaitu efek yang timbul apabila penghantar yang mengandung arus berada dalam medan magnet, dimana arah medan magnet tegak lurus pada arus. Efek tersebut menimbulkan tegangan yang disebut tegangan hall (hall voltage), yang tegak lurus pada arus dan juga pada medan magnet. Percobaan untuk membedakan semikonduktor tipe-n dan tipe-p dapat dilihat pada gambar berikut :

By : Mario Wirya

[25]

Magnetic field

ketebalan

Magnetic field

Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-p

Arus (elektron)

VH(+)

Arus (hole)

VH(-)_ Gambar 12

Pada semikonduktor tipe-n Hall voltage bernilai positif sedangkan pada semikonduktor tipe-p Hall voltage bernilai negatif. Jadi untuk pembawa muatan negatif (elektron) Hall voltage bernilai positif, sedangkan negatif bila pembawa muatannya adalah hole. Muatan negatif selain berasal dari semikonduktor tipe-n juga dapat berasal dari elektron-elektron pada metal/ logam. Besarnya Hall voltage dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : VH = RH.I.H T Dengan H adalah kuat medan magnet, I adalah arus, t adalah ketebakan dari bahan, dan RH adalah Hall coefficient. Nilai RH menunjukkan besarnya pembawa muatan dan mobilitas dari muatan. Untuk pembawa muatannya hole maka nilai RH yaitu : RH =

Ey_ = _1_ Bz.Jx e.nh

Nilai Jx dapat dihitung dengan : Jx = nh.e.vx Dengan vx adalah kecepatan searah sumbu x, e adalah muatan dari elektron, dan nh adalah kepadatan/ banyaknya lubang. Sedangkan E adalah tegangan searah sumbu y. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-n yang pembawa muatannya elektron nilai RH yaitu : RH =

Ey_ = _1_ Bz.Jx e.ne

Perbedaannya hanya pada semikonduktor tipe-n kepadatannya bukan kepadatan lubang tetapi kepadatan elektron. Jadi dapat kita simpulkan nilai Hall coefficient bergantung dari : - pembawa muatan - jumlah / kepadatan pembawa muatan. [26] By : Mario Wirya

Bila terdapat dua pembawa muatan maka nilai Hall coefficient-nya yaitu: RH =

Ey_ = 1.(nh.µh2 - ne. µe2) Bz.Jx e (nh.µh2 + ne. µe2)

Nilai Hall coefficient positif bila nh.µh2 > ne. µe2 dan bernilai negatif bila nh.µh2 < ne. µe2. Contohnya, Hall coefficient untuk semikonduktor tipe-n yang terbuat dari silikon dengan atom donornya ± 7.4 x 1018/ RH per m3 , pada suhu ruang. Jadi bahan semikonduktor memiliki sifat konduktivitas yang sama hanya terdapat perbedaan dari pembawa muatannya yang dapat dilihat dengan menggunakan percobaan Hall effect. Yang menimbulkan Hall effect yang berbeda untuk masing-masing semikonduktor. Sedangkan bila dilihat dari bahan penyusunnya, germanium memiliki daya hantar yang lebih bagus dari silikon bahkan paling bagus dari unsur-unsur yang dapat digunakan sebagai bahan semikonduktor. Tetapi Ge terdapat sangat sedikit sekali di alam. Sedangakn Si sangat banyak terdapat di alam. Si mempunyai titik lebur yang lebih tinggi dari Ge sehingga Si lebih tahan panas dari pada Ge. Hal ini merupakan kekurangan sekaligus kelebihan dari Si. Kekurangannya yaitu sulit untuk dimurnikan. Sedangkan kelebihannya yaitu lebih tahan panas sehingga dapat dialiri tegangan yang besar, atau dapat bertahan pada suhu yang tinggi. 8.2

Pertimbangan Pemilihan Bahan Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan bahan semikonduktor yaitu : - konduktivitas dari bahan tersebut, konduktivitas juga dipengaruhi beberapa faktor diantaranya :  suhu  pembawa muatan (elektron atau lubang)  massa elektron/ hole  mobilitas elektron/ hole  jumlah atau kepadatan dari elektron /hole - unsur-unsur yang digunakan, titik leburnya, energi ionisasinya, dari mana bahan bakunya, bila terdapat di alam bagaimana jumlahnya banyak atau tidak - kapasitas thermal dari bahan - sifat mekanis dari bahan - besarnya energi akibat pengotoran juga dapat digunakan sebagai petimbangan pemilihan. Besarnya energi dapat dilihat pada tabel 5.

By : Mario Wirya

[27]

BAB 9 : Pemeriksaan dan Pengujian Bahan 9.1

Persyaratan Minimal Standar Semikonduktor sebaiknya memiliki bentuk yang ringan, memiliki kekuatan mekanis yang baik, tahan terhadap shocks (misalnya dari perubahan tegangan secara mendadak), dan semikonduktor yang digunakan agar memperoleh hasil yang maksimal harus tersusun dari Si atau Ge yang murni. Selain itu untuk semikonduktor ekstrinsik perlu diperhatikan besarnya energi antara pita konduksi dan atom donornya (Eg - Ed) untuk semikonduktor tipe-n atau energi yang diberikan atom akseptor (Ea) pada semikonduktor tipe-p. Besarnya energi tersebut merupakan salah satu persyaratan minimal standar dan juga sebagai pertimbangan pemilihan bahan. Dapat dilihat dari tabel berikut : Semikonduktor Si

Ge

GaAs

Impurity P As Sb Bi B Al Ga In Tl P As Sb B Al Ga In TI Se Te Zn Cd

Eg – Ed (eV) 0,004 0,049 0,039 0,069 -

Ea (eV) 0,045 0,057 0,065 0,160 0,260

0,012 0,013 0,096

-

0,010 0,010 0,010 0,011 0,010

0,005 0,003

-

0,024 0,021

Tabel 5 Data dari : W.R.Runyan and S.B Watelski, Handbook of Materials and Processes for Electronics, C.A.Harper,Ed.,McGraw-Hill Book Company, NY, 1970.

By : Mario Wirya

[28]

9.2

Metode Pengukuran dan Pengujian Pengukuran pada bahan semikonduktor dapat menggunakan percobaan Hall. Selain itu Semikonduktor sendiri juga dapat digunakan sebagai alat pengukuran diantaranya : - Fluxmeter - Compass - Magnetometer - DC meter - Galvanometer-Amplifier - Hall Effect Multipier - Multipier sebagai Cruputor elemen - Modulator - AC Power meter - Pengukur torsi pada motor listrik Pengukuran energi pada bahan semikonduktor yaitu dengan mengalirkan tegangan tertentu sampai semua atom donor pindah ke pita konduksi (pada semikonduktor tipe-n) atau sampai semua hole terisi elektron dari pita valensi (pada semikonduktor tipe-p). Dari pemberian tegangan itu didapat energi ionisasinya. Pengujian bahan semikonduktor dapat dilakukan dengan memberi tegangan dibesarkan secara berkala, untuk mengetahui sampai mana batas tegangan yang membuat semikonduktor menjadi pengahantar yang baik. Karena pada tegangan yang rendah atau kurang dari energi antara celah pitanya (energi yang diperlukan ntuk elektron meloncat). Selain itu juga dapat digabungkan dengan perubaahn suhu. Jadi suhunya diubah-ubah tetapi tegangannya tetap, dapat dilihat bagaimana konduktivitas pada semikonduktor. Hasilnya dapat dilihat pada grafik di gambar 9. Dari situ juga didapat pada suhu berapa Silikon atau Germanium itu menjadi jenuh (konduktivitasnya hampir tidak bertambah), dan juga perubahan konduktivitas terhadap suhu. Perlu diingat semua data yang ada diberikan pada suhu ruang.

By : Mario Wirya

[29]

Kesimpulan Bahan Silikon dan Germanium termasuk yang sering digunakan sebagai bahan semikonduktor, dan masih banyak bahan lainnya seperti Timah, dan SiC. Unsur-unsur yang merupakan semikonduktor masuk di dalam golongan !V A kecuali Timbal. Ikatan antar atomnya termasuk ikatan kovalen. Unsur –unsur tesebut termasuk senyawa karbon. Silikon banyak terdapat di alam dalam bentuk pasir kuarsa, dan tanah liat. Germanium terdapat dalam lapisan kerak bumi dan sangat sedikit jumlahnya (0,001%). Germanium memiliki daya hantar yang lebih baik dari pada Silikon, sedangkan silikon memiliki daya tahan panas yang baik, dan banyak terdapat di alam. Oleh karena itu Silikon lebih banyak digunakan. Silikon dan Germanium yang terdapat di alam masih belum murni sehingga perlu dimurnikan dengan proses kimia, dan dimurnikan lagi. Untuk Germanium dimurnikan dengan ekstrusi cairan. Sedangkan Silikon harus menggunakan tungku/ oven vertikal, karena silikon pada suhu tertentu aka bereaksi dengan perahu graphite. Tungku vertikal dapat digunakan untuk memurnikan silikon ataupun germanium. Semikonduktor terbagi menjadi semikonduktor yang hanya tersusun dasi Si atau Ge murni yang disebut semikonduktor intrinsik, dan semikonduktor yang diberi pengotor disebut semikonduktor ekstrinsik. Pengotor tersebut disisipkan ke dalam unsur utama (intrinsik) dengan cara yang disebut doping. Bila diberi atom yang bervalensi tiga maka akan terbentuk semikondukto tipe-p, atom pengotornya disebut atom akseptor. Sedangkan bila atom pengotornya bervalensi lima maka akan terbentuk semikonduktor tipen, atom pengotornya disebut atom donor. Atom pengotor harus sama ukurannya dengan atom murni/ utama. Pada semikonduktor intrinsik tidak terdapat elektron bebas sehingga bersifat isolator, hanya karena pengaruh suhu resistivitasnya menurun, sehingga konduktivitasnya semakin meningkat seiring perubahan suhu. Konduktivitas dari semikonduktor bergantung dari mobilitas muatan, jumlah pembawa muatan, temperatur. Semikonduktor intrinsik pada suhu nol absolut merupakan isolator. Tidak demikian pada semikonduktor ekstrinsik. Pada suhu rendah (<1/T) semikonduktor ekstrinsik ( semikonduktor tipe-n dan tipe-p) bersifat ekstrinsik, dan pada suhu tinggi (>1/T) bersifat intrinsik. Maksudnya pada suhu tinggi konduktivitasnya lebih landai dari pada konduktivitas pada suhu rendah. Keadaan diantaranya /peralihan merupakan keadaan dimana semua elektron dari atom donor telah pindah ke pita konduksi (exhaustion range) pada semikonduktor tipe-n By : Mario Wirya

[30]

atau semua lubang telah terisi penuh (saturation range) pada semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-n dan tipe-p memiliki kesamaan dalam hal perubahan konduktivitasnya terhadap suhu. Untuk membedakannya dapat digunakan percobaan dikenal dengan Hall effect. Untuk semikonduktor tipe-n voltage Hall bernilai positif, sedangakan pada semikonduktor tipe-p voltage Hall bernilai negatif. Besarnya voltage Hall bergantung dari Hall coefficient, arus, kuat medan dan ketebalan bahan. Semikonduktor banyak digunakan pada alat-alat yang menggubah energi listrik menjadi listrik, mengubah arus AC menjadi DC, menggubah energi panas menjadi listrik (solar cell), dan pada alat-alat pengukuran. Pada arus tegangan tinggi bahan semikonduktor digunakan pada arester agar dapat mengalirka tegangan berlebih akibat petir (tegangan sorja) ke tanah. Ada juga semikonduktor yang peka terhadap perubahan suhu (thermistor), cahaya (photoelectric), tegangan (varistor), listrik (transisitor), dan impurities (rectifier). Pengujian pada bahan semikonduktor dapat dilakukan dengan pemberian tegangan yang besar, atau pemanasan, atau gabungan keduanya.

By : Mario Wirya

[31]

DAFTAR PUSTAKA

Budiman, Masgunarto. Diktat Kimia dan Ilmu Bahan. Jakarta: STTPLN. Dekker, Adrianus J. 1959. Electrical Engineering Materials. USA: Prentice Hall. Kanginan, Mrthen. 2003. Fisika 2000. Jakarta: Erlangga. Linsley, Trevor. 2004. Instalasi Listrik Dasar. Jakarta: Erlangga. S, Wasito. 2004. Kamus Elektronika Inggris-Indonesia. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. Shachelford, James F. 2005. Introduction to Materials Science for Engineers sixth edition. Davis: Pearson Prentice Hall. Sumanto. 1996. Pengetahuan Bahan Untuk Mesin dan Listrik. Yogyakarta: Andi Offset.

By : Mario Wirya

[32]