tugas rekayasa bahan
TRANSCRIPT
Rekayasa Bahan 2012
TUGAS REKAYASA BAHAN
SAMBUNGAN P-N SEBAGAI SENSOR THERMAL
DISUSUN OLEH:
NIBRAS FITRAH YAYIENDA (2409 100 049)
RAKHA ADITYA (2409 100 051)
PRIM ARISTA WINANDA P (2409 100 059)
JURUSAN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2012
Rekayasa Bahan 2012
ABSTRAK
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah di dopping ada dua macam
semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N. P-n junction
terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P bersamaan dalam
hubungan yang sangat dekat. Istilah junction menunjuk ke bagian di mana kedua tipe
semikonduktor tersebut bertemu. Salah satu contoh penggunaan semikonduktor P-N
junction sebgai sensor thermal adalah thermistor. Nama termistor berasal dari Thermally
Sensitive Resistor.
Rekayasa Bahan 2012
ABSTRACT
Ecstrinsic semiconductor is semiconconductor that had have been doppt. There are 2 kinds
of ecstrinsic semiconductor tere are P type and N tyoe. P-N junction made from
semiconductor P type and N type in the closest deistance. The name junction refer to the
part of the both semiconductor meet. The apllication of P-N junction as thermal sensor s the
thermistor. Name thermistor caome from Thremaly Resistive Resistor
Rekayasa Bahan 2012
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sambungan P-N merupakan salah satu komponen dasar dan sensor thermal merupakan
sensor yang umum digunakan dalam kegiatan sehari- hari. Maka, sangat penting untuk
memahami struktur dan cara operasi dari sambungan P-N sebagai sensor termal. Apalagi
dengan makin berkembangnya ilmu mengenai rekayasa bahan, tentu sambungan P-N
memiliki peran yang sangat besar dalam pembuatan berbagai macam divais. Hal itulah yang
mendasari kami untuk menulis makalah dengan topik sambungan P-N sebagai sensor
thermal.
1.2 PERMASALAHAN
Permasalahan yang akan di bahas pada makalah ini adalah sebagai berikut :
1. Apakah itu sambungan P-N
2. Bagaimana prinsip kerja sambungan P-N
3. Bagaimana cara kerja sambungan P-N sebagai sensor thermal
1.3 TUJUAN
Sedangkan tujuan disusunnya makalah ini adalah sebagai berikut :1. Memahami pengertian sambungan P-N
2. Memahami prinsip kerja sambungan P-N
3. Memahami cara kerja sambungan P-N sebagai sensor termal
1.4 SISTEMATIKA PENULISAN
Sistematika penulisan yang digunakan dalam penyusunan makalah ini adalah sebagai
berikut:
Bab I PENDAHULUAN
Berisi tentang latar belakang, permasalahan, tujuan dan sistematika penulisan
Bab II TEORI PENUNJANG
Berisi tentang teori-teori semikonduktor P-N
Bab III PENUTUP
Berisi tentang kesimpulan dan saran beserta daftar pustaka
Rekayasa Bahan 2012
BAB II
TEORI PENUNJANG
2.1 SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor adalah sebuah elemen dengan kemampuan listrik diantara sebuah
konduktor dan insulator. Diantaranya yang termasuk dalam semikonduktor adalah
Germanium dan Silicon. Dalam perkembangannya Silicon lebih dipilih daripada Germanium.
Sebuah semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni. Sebuah kristal Silicon adalah
sebuah semikonduktor murni apabila setiap atom di dalam kristal adalah atom Silicon. Pada
suhu kamar Silicon akan berperilaku seperti insulator.
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah di dopping ada dua macam
semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N.
Semmikonduktor tipe P adalah semikonduktor dngan dopping lebih banyak hole pada
semikonduktor tersebut. Sedangkan semikonduktor tipe N adalah semikonduktor dengan
lebih bnyak elektron yang di Dopping
2.2 SEMIKONDUKTOR TIPE P-N
P-n junction terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P
bersamaan dalam hubungan yang sangat dekat. Istilah junction menunjuk ke bagian di mana
kedua tipe semikonduktor tersebut bertemu. Dapat dilihat sebagai perbatasan antara wilayah
antara blok tipe-P dan tipe-N seperti yang diperlihatkan di diagram bawah:
Gambar 1. P-N Junction
Tiap pasang ion positif dan ion negatif pada gambar 2 disebut dipole. Penciptaan
dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole telah dikeluarkan dari sirkulasi. Jika
terbentuk sejumlah dipole, daerah dekat junction dikosongkan dari muatan-muatan , daerah
kosong ini disebut dengan daerah /lapisan pengosongan yang lebarnya 0,5 µm.
P -n 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
Rekayasa Bahan 2012
Gambar 2. P-N Junction
Pada saat kesetimbangan maka :
Sesaat setelah semikonduktor tipe p dan tipe n digabungkan akan terjadi 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 sebesar ±5µm
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.
Gambar 3. Pita Energi
Contact potensial (Vpn) antara sisi p dan sisi n (P-N junction) :
Rekayasa Bahan 2012
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
TEGANGAN BARIER PADA P-N JUNCTION
Pembangkitan tegangan barrier bergantung pada suhu junction, suhu yang lebih
tinggi menciptakan banyak pasangan elektron dan hole, sehingga aliran pembawa minoritas
melewati juction bertambah. Pada suhu 25°C Potensial Barier pada dioda germanium (Ge)=
0,3 V dan dioda silikon (Si ) = 0,7 V.Potensial barrier tersebut berkurang 2,5 mV untuk setiap
kenaikan 1 derajat Celcius.
BIAS PADA LAPISAN P-N
Forward Bias Pada Lapisan P-N
Gambar ilustrasi di bawah menunjukkan sambungan PN.Terminal negatif
sumber/batery dihubungkan dengan bahan tipe-N dan terminal positif dihubungkan
dengan bahan tipe-P, atau tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N sehingga
elektron dari sisi N akan bergerak untuk mengisi hole di sisi P. Kalau elektron mengisi
hole disisi P, akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut
aliran hole dari P menuju N. Kalau mengunakan terminologi arus listrik, dikatakan
terjadi arus listrik dari sisi P ke sisi N. Bias ini disebut bias maju (foward )
Gambar 4. Forward Bias
Rekayasa Bahan 2012
Reverse Bias Pada Lapisan P-N
Pada sambungan reverse bias terminal negatif sumber/battery dihubungkan
dengan bahan tipe-P dan terminal positif dihubungkan dengan bahan tipe-N. Pada
kondisi ini hole dan elektron bergerak menuju ke ujung-ujung kristal (menjauhi
junction), dimana elektron akan meninggalkan ion positif dan hole akan
meninggalkan ion negatif oleh sebab itu lapisan pengosongan akan bertambah
lebar.Makin besar bias makin lebar pula lapisan pengosongan , oleh karena itu arus
listrik sulit/tidak bisa mengalir dari sisi P ke N.Bias ini disebut bias balik (reverse )
Gambar 5. Reverse Bias
Zero Bias Pada Lapisan P-N
Kondisi equilibrium seperti yang sudah dijelaskan diatas dapat tercapai pada
saat P-N junction tanpa tegangan eksternal, dimana perbedaan potensial terbentuk di
junction. Perbedaan potensial berikut disebut potensial built-in (Vbi).
.
Gambar 6. P-N junction pada kondisi equilibrum
Setelah pengggabungan antara tipe p dan tipe n, elektron yang berada dekat
dengan p-n interface cenderung menyebar ke daerah p. Sebagai electron difusi,
electron-elektron tersebut meninggalkan ion bermuatan positif (donor) di wilayah n.
Hal yang sama terjadi pada hole yang berada dekat dengan p-n interface, hole akan
Rekayasa Bahan 2012
berdifusi ke daerah n dan meninggalkan ion negative (akseptor). Akibatnya, daerah
dekat p-n kehilangan netralitsnya dan menjadi bermuatan serta membentuk lapissan
deplesi.
Medan listrik terjadi di space charge region berlawanan dengan proses difusi
untuk electron dan hole. Terdapat dua fenomena yang terjadi yaitu proses difusi
cenderung menghasilkan space charge yang cenderung melawan difusi. Space
charge region merupakan zona yang terjadi oleh ion tetap (donor atau akseptor) yang
telah ditinggalkan oleh carrier difusi mayoritas.
Gambar 7. Junction zero bias
2.3 SEMIKONDUKTOR TIPE P-N SEBAGAI SENSOR THERMAL
Rumusan uarus dari sambungan P-N sebagai sensor thermal dapat dirumuskan
dengan menggunakan rumusan berikut ini
I=I . ni exp [ VV T ]Salah satu contoh penggunaan semikonduktor P-N junction sebgai sensor thermal
adalah seperti comtoh dibawah ini
Kombinasi Sensor Temperatur p-n Junction dan kombinasinya dengan Jembatan
Pemanas Udara Mikro
Dioda sensor temperature p-n junction dapat meliputi range temperature yang
lebar, yaitu sekitar -200 - 500 C (-200 – 150 C dengan bias maju; 150 – 500 C dengan
bias mundur-temperatur sekitar 1 V) dengan sensitivitas tinggi dan akurasi seperti NTC
Rekayasa Bahan 2012
thermistor. Telah diteliti bahnwa jembatan udara mikro 700mx700m mempunyai respon
yang cepat (16 ms) dan mempunyai sensitivitas tinggi dan feedback kontrol yang stabil.
Alat ini menggunakan op-amp sebagai penguat tegangan bias V langsung
sebagai pn junction sensor temperature dan untuk memonitor arus diode I bernanding
dengan temperature T. alat ini digunakan sebagai sensor kelembaban, sensor aliran
thermal, dan sensor analisis thermal.
Prinsip Kerja pn Junction sensor temperature
Arus I pn junction diode diberikan tegangan bias maju V.
Arus saturasi bias mundur I0 mempunyai temperature tinggi yang
tergantung ecp (-qVd/nkT).
Struktur Alat
Temperature -196 – 150 C menunjukkan tegangan bias maju sebesar 0.45,
0.50, 0.55, 0.60, 0.70, 0.80, 0.90, 1.0, 1.1 V dan 150 – 450 C pada bias mundur -1 V
Rekayasa Bahan 2012
Gambar 10. Struktur Alat
Berikut adalah grafik hubungan antara Temperatur 1/T dengan Arus I :
Gambar 11. Kurva Temperatur dan Arus
Gambar 12. Kurva Temperatur dan Resistansi
Rekayasa Bahan 2012
Gambar 13. Rangkaian Alat
Rekayasa Bahan 2012
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
1. P-n junction terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P
bersamaan dalam hubungan yang sangat dekat.
2. Sambungan P-N bekerja berdasarkan prinsip perpindahan elektron dan hole dari
semikonduktor tipe P dan N
3. Untuk sensor thrmal thermistor tipe NTC semakin besar suhu maka resistansi
yang dihasilkan akan semakin kecil
4. Untuk sensor thermal PTC semakin besar suhunya maka resistansi yang
dihasilkan semakin besar sampai titik tertentu dan akhirnya takan bersifat seperti
NTC.
Rekayasa Bahan 2012
DAFTAR PUSATAKA
1. Zambuto Mauro, “Semiconductor Devices”, McGraw-Hill International.
2. Kimura Et all, Thermistor-like P-N junction temperature-sensor-with variable
sensitivity and its combinationwith micro-ais-bridge heater, 2003,Department of
electrical engineering and information technologim, Tohoko Gakuin-University,
Tagajo Miyagi Japan