MIKROELEKTRONIKA Gejala Transport dalam Semikonduktor D 3 Teknik

MIKROELEKTRONIKA Gejala Transport dalam Semikonduktor D 3 – Teknik Komputer Universitas Gunadarma

MOBILITAS & KONDUKTIVITAS Gambaran gas elektron dari logam • 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.

• 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.

• Kecepatan Hanyut V – Arahnya berlawanan dengan arah medan listrik. – Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a = q / m adalah percepatan. – Kecepatan V berbanding lurus dengan . V = (m kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.

Rapat Arus – Arus dalam ampere : – Rapat arus : – J dalam ampere meter kuadrat dan A 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 adalah kondutivitas dari logam dalam (ohm meter)-1

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

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

• Hole ü Pada temperatur sangat rendah kristal berperilaku sebagai isolator. ü Pada temperatur kamar, beberapa dari ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal dan konduksi dimungkinkan. ü Energi Eg yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen : ü Germanium : 0. 72 e. V ü Silikon : 1. 1 e. V ü Ikatan kovalen yang tidak lengkap disebut lubang. Kristal Germanium dengan satu ikatan kovalen yang patah

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

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 e. V • Si = 0. 05 e. V Contoh : antimurnian (Sb), Fosfor dan Arsenikum – Takmurnian ini memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, dikenal sebagai donor atau tipe-n.

• 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. Ø “Perkalian dari rapat muatan negatif yang bebas dan muatan yang positif, merupakan suatu tetapan dan tidak bergantung pada banyaknya donor dan akseptor” 2 np = ni • Dalam semikonduktor tipe-n, elektron 2 disebut pembawa mayoritas sedangkan lubang adalah pembawa minoritas. • Dalam semikonduktro tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

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

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.

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.

PERSAMAAN ALIRAN ARUS & PERSAMAAN POISSON • Persamaan Aliran arus : J dalam ampere meter kuadrat, A adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat • Persamaan Poisson : d 2 V ----- = - ----dx 2 adalah permitivitas.