makalah bahan semikonduktor
DESCRIPTION
abcTRANSCRIPT
2. TIPE SEMIKONDUKTOR
Berdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis,
yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Sedangkan berdasarkan pergerakan pembawa
muatan dalam semikonduktor ada tiga cara yaitu:
1. Eksitasi elektron (semikonduktor instrinsik),
2. Impurity (Semikonuktor ekstrinsik), dan
3. Semikonduktor nonstoikiometri.
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
Gambar 2.1.1. Struktur Kristal 2 dimensi Kristal Si
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 T = 0 K 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 masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV.
Gambar 2.1.2. Macam-macam nilai Energi gap
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
Ge lebih 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.
Gambar 2.1.3. Elektron menyeberangi celah energi menuju pita konduksi sehingga terjadi hole pada pita valensi
Pada Gambar 2.1.2. terlihat energi gap untuk C (intan), Si, Ge, dan Sn. Jumlah pembawa
muatan dalam bahan tersebut dalam satu golongan semakin kebawah akan semakin meningkat,
akibatnya konduktivitas pun akan meningkat. Konduktivitas ini merupakan sifat dari bahan dan
tidak ditimbulkan oleh ketidakmurnian (impurity). Oleh karena itu disebut semikonduktor
intrinsik.
Pada semikonduktor intrinsik, untuk setiap elektron yang mengalami kenaikan energi ke level
pita konduksi akan meninggalkan kekosongan elektron pada salah satu dari ikatan kovalennya.
Dibawah pengaruh medan listrik, posisi kehilangan elektron pada kisi kristal bisa digambarkan
sebagai gerakan elektron valensi yang lain yang secara berulang akan mengisi kekosongan ini.
Proses ini bisa dijelaskan dengan memperlakukan daerah yang kehilangan elektron ini sebagai
partikel yang bermuatan positif atau disebut juga hole. Hole dianggap mempunyai muatan sama
dengan elektron tetapi dengan tanda yang berlawanan (+1,6 X 10-19C). Sehinnga dengan adanya
medan listrik, elektron yang tereksitasi dan hole bergerak saling berlawanan arah.
Karena ada dua pembawa muatan (elektron bebas dan hole) pada semikonduktor intrinsik,
maka rumus konduktivitas menjadi:
dimana: p = jumlah hole per meter kubik
n = jumlah elektron per meter kubik
μh = mobilitas hole
μe = mobilitas elektron
Untuk semikonduktor intrinsik:
Sehingga :
Gambar 2.1.4. Model konduksi listrik pada semi konduktor intrinsik silikon. (a) sebelum
eksitasi. (b) dan (c) setelah eksitasi (elektron bergerak karena medan listrik).
2.2. Semikonduktor Ekstrinsik
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, namun masing-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.Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n,
semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan.
Tipe – n
Jika ke dalam semikonduktor transisi (intrinsik) ditambahkan dengan atom dari golongan
V, maka dalam semikonduktor tersebut akan terdapat elektron yang berlebih, sehingga
elektron yang berlebih tersebut akan bertindak sebagai donor contohnya adalah SiP, GeAs,
ZnO dan yang lainnya. Oleh karena itu semikonduktor yang memiliki elektron yang
berlebih dikenal dengan semikonduktor tipe-n.
Gambar 2.2.1. Semikonduktor tipe-n
Elektron bebas sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama hole
karena generation akibat agitasi termal. Elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan
hole sebagai pembawa muatan minoritas. Jumlah elektron pada pita konduksi akan melebihi
jumlah hole (n >> p), sehingga rumus konduktivitas listrik menjadi:
Tipe – p
Efek yang berlawanan akan dihasilkan apabila silikon atau germanium mendapat atom
pengotor dengan jumlah elektron valensi tiga. Satu dari empat ikatan kovalen pada silikon atau
germanium akan kekosongan elektron, dimana kekurangan ini akan ditandai dengan adanya hole.
Hole ini akan diisi oleh elektron dari atom yang berdekatan sehingga hole akan berpindah ke
tempat elektron yang pindah tersebut berada. Pertukaran posisi elektron dan hole ini ditunjukkan
oleh gambar . Hole yang bergerak dianggap mempunyai keadaan tereksitasi dan akan
mengakibatkan proses konduksi
Gambar 2.2.2. Semikonduktor tipe-p
Hole sebagian besar terjadi karena doping, dan sebagian kecil lainnya bersama elektron bebas
karena generation akibat agitasi termal. Hole menjadi pembawa muatan mayoritas dan elektron
bebas sebagai pembawa muatan minoritas. Untuk semikonduktor ekstriksik baik tipe-n
maupun tipe-p konduktivitas ekstrinsik tidak akan naik terus menerus dengan kenaikan
temperatur dan akan dijumpai pada suatu keadaan dimana nilai konduktivitanya
konstan. Hal itu diakibatkan karena proses pengurasan donor dan penjenuhan akseptor.
2.3. Semikonduktor nonstoikiometri
Pada keadaan ini hampir mirip dengan semikonduktor ekstrinsik, hanya saja disebabkan oleh
ketidakmurnian hal yang lainnya yaitu pengaruh dari cacat sebagai hasil dari stoikiomeri.
Elektron dan hole semikonduktor nonstoikiometri tereksitasi dalam pita konduksi dan valensi
sebagai hasil reduksi dan oksidasi. Pada cacat yang diakibatkan oleh stoikiomerti kristal
akan menimbulkan celah pita terlarang antara pita valensi dan konduksi. Celah pita
terlarang tersebut akan bertidak sebagai perangkap elektron atau hole. Elektron dan hole
yang berada pada celah pita terlarang dapat loncat ke pita konduksi jika mendapat energi
tambahan walaupun energinya lebih kecil dari energi gap (Reka Rio, 1999)
3. RESISTIVITAS LISTRIK DARI LOGAM
Resistivitas listrik dipengaruhi oleh vibrasi termal, impuritas/pengotoran dan deformasi
plastis. Secara matematis ditulis sebagai:
dimana notasi t = Vibrasi termal, i = impuritas, d = deformasi
Resistivitas karena meningkatnya temperatur, dirumuskan dengan:
dimana : ρ0, a = konstan
T = temperatur
Resistivitas karena impuritas:
Ci = Konsentrasi impuritas
A = konstanta tidak tergantung komposisi
Resistivitas karena deformasi.
Deformasi plastik akan menaikkan resistivitas karena kenaikan jumlah dislokasi oleh
penyebaran elektron. Efek deformasi terhadap resistifitas diperlihatkan oleh gambar 3.
Gambar 3.1 Resistivitas listrik vs temperatur untuk bahan tembaga dan tiga paduan tembaga-nikel yang salah satunya mengalami deformasi. Kontribusi termal, impuritas dan deformasi terhadap resistivitas ditunjukkan pada -100°C.
Gambar 3.2. Resistifitas listrik pada temperatur ruang vs komposisi pada paduan tembaga-nikel.
4. MENGUKUR CELAH ENERGI DENGAN METODE OPTIK
Sifat konduktivitas dan konsentrasi ditentukan oleh faktor celah energi dengan
temperatur.
Ketika perbandingan ini besar, konsentrasi sifat instrinsik akan rendah dan konduktivitasnya juga
akan rendah. Nilai terbaik dari celah energi diperoleh dari penyerapan optik. Celah energi (Eg)
merupakan selisih antara energi terendah pada pita konduksi (Ek) dengan energi tertinggi pada
pita valensi (Ev) . Atau secara matematis dapat ditulis:
Gambar 4.1. Pita energi pada semikonduktor
Untuk mengukur besarnya celah energi (Eg) dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu
penerapan langsung dan penyerapan tidak langsung.
Penyerapan langsung
Pada penyerapan langsung ini, elektron mengabsorpsi foton dan langsung meloncat ke
dalam pita konduksi. Besarnya celah energi (Eg) sama dengan besarnya energi foton
(gelombang elektromagnetik). Secara matematis dapat dituliskan :
Dimana ω merupakan frekuensi anguler dari foton (gelombang ekektromagnetik).
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari diagram berikut.
Gambar 4.2. Penyerapan langsung
Penyerapan tidak langsung
Pada penyerapan tidak langsung, elektron mengabsorpsi foton sekaligus fonon. Proses ini
memenuhi hukum kekekalan energi. Sehingga selain energi foton (partikel dalam gelombang
elektromagnetik) terdapat juga fonon (partikel dalam gelombang elastik) yang dipancarkan
maupun diserap, dapat ditulis
Dimana tanda +- menunjukan bahwa dalam proses penyerapan tidak langsung ini keberadaan
fonon ada yang dipancarkan (+) atau diserap (-). Jika digambarkan, akan diperoleh gambar
sebagai berikut.
Gambar 4.3. Penentuan celah energi dengan penyerapan tidak langsung
5. PERSAMAAN GERAK ELEKTRON DALAM PITA ENERGI
Sekarang kita akan menentukan persamaan gerak untuk sebuah elektron dalam pita energi.
Kecepan kelompok untuk beberapa fungsi gelombang dengan vektor gelombang k adalah :
dengan ω merupakan frekuensi sudut. Jika frekuensi sudut ini dihubungkan dengan energi dari
fungsi gelombang Є adalah . Dengan mensubstitusi kedalam persamaan untuk
kecepatan grup maka akan diperoleh:
Pengaruh kristal di dalam gerak elektron diberikan dalam hubungan dispersi Є(k). Usaha yang
dilakukan oleh medan listrik pada elektron adalah:
Pada saat belajar Matematika Fisika, kita mengetahui bahwa δЄ dapat ditulis dalam bentuk
Dengan mensubstitusi persamaan 5) ke persamaan 6), maka kita mendapatkan
Dengan membandingkan persamaan 6) dan persamaan 8) maka
Persamaan 9) diatas merupakan persamaan untuk gaya listrik yang dialami oleh elektron karena
berada dalam medan listrik E . Akhirnya diperoleh:
Inilah persamkaan gerak elektron dalam pita energi.
6. MASSA EFEKTIF
Pada pembahasan sebelumnya, kita telah mengetahui persamaan gerak elektron dalam pita
energi dan kecepatan grup yang dihubungkan dengan energi. Sekarang kita akan mengetahui
berapa besarnya massa efektif. Massa efektif elektron merupakan massa elektron dalam pita
energi ketika mengalami gaya atau percepatan. Besarnya massa efektif elektron ditentukan dari
persamaan gerak yang telah dibahas sebelumnya. Adapun langkah-langkah menentukan
besaarnya massa efektif adalah sebagai berikut.Dari persamaan sebelumnya kita tahu bahwa
perumusan untuk kecepatan elektron adalah
Apabila kecepatan grup ini kita turunkan terhadap waktu, maka akan kita peroleh
Atau dapat dituliskan dalam bentuk
Dari persamaan ini, ruas kiri merupkan percepatan, dan ruas kanan merupakan sesuatu dikalikan
gaya F. Berdasarkan hukum II Newton kita ketahui bahwa:
Sehingga dari persamaan tersebut didefinisikanlah massa efektif yang besarnya
Inilah persamaan yang menunjukkan definisi massa efektif
7. MOBILITAS ELEKTRON
Mobilitas adalah besarnya kecepatan drift per satuan energi:
Mobilitas didefinisikan berharga positif untuk elektron maupun hole. Meskipun kecepatan
driftnya berlawanan. Dengan menuliskan μe atau μh untuk mobilitas elektron dan hole kita dapat
membedakan antara μ sebagai potensial kimia dan sebagai mobilitas. Dalam semikonduktor
intrinsik ideal, mobilitas ditentukan dengan tumbukan diantara elektron dan fonon.Konduktivitas
elektrik adalah jumlah kontribusi elektron dan hole:
dimana n dan p adalah konsentasi elektron dan hole. Perubahan kecepatan pada muatan q telah
ditemukan menjadi dimana: