Konduksi pada semikonduktor yang dicemari (semikonduktor ekstrinsik)

Konduksi pada semikonduktor yang dicemari (semikonduktor ekstrinsik

Dengan penambahan atom-atom penyumbang (donor atom) atau atom-atom penerima (acceptor atoms) dalam jumlah yang kecil, konduktivitas bahan semikonduktor dapat ditingkatkan sangat hebat. Untuk memperhitungkan besarnya akibat dari pencemaran ini kita harus paham secara kuantitatif proses pembangkitan (generation) dan penggabungan kembali (recombination).

Laju pembangkitan g akibat panas (pasang hole-elektron/s×m³) adalah tergantung pada sifat bahan dan merupakan fungsi suhu. Tenaga yang diperlukan oleh satu elektron valensi menjadi elektron bebas, atau tenaga untuk pembangkitan sebuah elektron konduksi  dapat dinyatakan dalam elektron-volt sebagai eV_g .

 Tenaga rerata yang berpadan an dengan suhu T dapat ditulis sebagai kT. Analisis statistik menunjukkan bahwa probabilitas (peluang) bagi satu elektron valensi untuk menerima cukup tenaga untuk menjadi elektron bebas adalah sebanding dengan faktor                ; laju pembangkitan yang sifatnya thermal ini (dan juga laju emisi elektron akibat panas) melibatkan faktor ini, dan, maka sangat tergantung suhu.

Dalam semikonduktor, elektron dan hole yang bebas berpindah-pindah (mobile) cenderung untuk bergabung-kembali (recombination) dan sirna. Laju penggabungan kembali hole dan elektron tergantung kepada kerapatan kedua jenis partikel itu. Jadi laju penggabungan kembali dirumuskan

R= rnp

disini   R= laju penggabungan kembali (pasang hole-elektron/s-m³).

r= konstanta kesebandingan bagi bahan tersebut.

n= konsentrasi elektron bebas (butir/m³)

p= konsentrasi hole

Versi hukum kegiatan-massa ini mengatakan bahwa laju penggabungan kembali adalah tergantung pada banyaknya elemen-elemen bereaksi yang ada.

Pada keadaan seimbang laju pembangkitan dan laju penggabungan kembali adalah persis sama besar

g= R=rnp                            .

Pada kristal murni konsentrasi hole dan elektron secara intrinsik adalah sama.

g= R=rn_ip_i = rn_i²

Bahkan dalam kristal yang sudah dilakukan doping, dimana porsi terbesar adalah atom silikon (atau Ge), laju pembangkitan oleh suhu tetap tidak berubah dari nilai intrinsiknya karena tergantung kepada hole dan elektron bebas yang ada dan bukan tergantung pada banyaknya atom silikon atau germanium. Jadi

np= n_i²

berlaku juga dalam semikonduktor yang telah diberi doping.

Hubungan mendasar yang kedua adalah bahwa dalam keseluruhan kristal muatan listriknya adalah netral. Prakteknya semua atom donor dan aseptor adalah terionisasi pada suhu kamar dan meninggalkan ion positip atau negatip yang  diam (tidak mobile) pada konsentrasi N_d dan N_a. Dan sebagai tambahan masih ada pengangkut muatan negatip dan positip yang mobile. Maka agar tetap netral

p+N_d = n+N_a

Dalam bahan tipe-n yang dibuat dengan cara penambahan atom cemaran donor kepada semikonduktor intrinsik, N_a=0

dan konsentrasi elektron sebagai pengangkut mayoritas

n_n  = p_n +N_d

n_n  @  N_d     

karena dalam kenyataannya N_d >> p_n

Dan konsentrasi hole sebagai pengangkut minoritas dalam tipe-n adalah

Dalam bahan tipe-p  persamaan yang serupa dengan diatas adalah

konsentrasi hole sebagai pengangkut mayoritas dalam tipe-p adalah

p_p @ N_a

dan konsentrasi elektron bebasnya sebagai pengangkut minoritas adalah

(Sumber: Materi Kuliah Listrik dan elektronika dari Pak Handoyo)

rumus konduktivitas Semikonduktor Intrinsik

Perumusan konduktivitas Semikonduktor Intrinsik

Berbeda dengan pada logam yang pengangkut muatannya hanya elektron saja, pada semikonduktor intrinsik ini mempunya dua jenis pengangkut muatan yaitu elektron dan hole yang banyaknya sama, tapi berbeda jenis muatannya dan mobilitasnya.

Jadi arus total adalah I = I_e + I_h

Jadi arus total I = e(n m_e + p m_h)E A

                            = n_i e (m_e  + m_h) E A     karena n = p  = n_i  pada jenis intrinsik

                            = n_i e ( m_e +m_h )E A

Karena E = V/l maka I = n_i e (m_e +m_h)VA/l

                                   R = V/I = (l/A) ( 1/ (n_i e(m_e+m_h )) = r l/A

                                   r = 1/(n_i e( m_e + m_h ))   ohm-m

                                   s_i = n_i e ( m_e + m_h)       S/m

Rapat arus                  J= I/A= n_i e( m_i + m_h ) E= s_i E

Pengaruh suhu pada semikonduktor : makin tinggi suhu, makin banyak partikel pengangkut muatan n_i dan p_i , sehingga makin besar konduktivitas dan makin kecil resistivitas.

Simbol n =  banyaknya elektron bebas intrinsik per volume

p  = banyaknya hole intrinsik per satuan volume

n_i  = banyaknya pasangan hole-elektron intrinsik per volume

m_e dan m_h masing-masing adalah mobilitas elektron dan hole

Tabel 1.  Sifat-sifat Silicon dan Germanium  murni pada suhu 300 K (27^oC)

Catatan: Bilangan Avogadro    = 6,022 ´ 10²³  atom/g-atom

                Muatan elektron = 1,602 ´ 10¹⁹ Coulomb/butir elektron

Soal penghantaran logam

Pada suhu 200C diketahui resistivitas tembaga adalah 1,73´10-8 ohm×meter. Hitunglah rerata kecepatan hanyutan elektron di dalam kawat tembaga yang berpenampang melintang 7,85 ´10-7 m2 dan membawa arus 6 A . Berat atom tembaga 63,6 g/g×atom, kerapatan massanya 8,9 g/cm3 Bilangan Avogadro 6,022 atom/g ×atom.

Jawab:

Rapat atom =
na=(rapat massa* Bilangan Avogadro)/(Berat Atom)
=(8,9 g/cm^3 ×6,022× 10^3 at/g.atom)/(63,6 g/(g×atom))
=0,8427×10^3 at/cm^3

Rerata kecepatan drift =
u = J/(en)
= I / (Aen) dengan asumsi ada 1 elektron bebas per 1 atom Cu maka
u = (6A×(C/s)/A)/(7,65×10^(-7) m^2×1,602×(10^(-19) C)/elektron ×8,43 × 10^28 elektorn/m^3 ) u
= 5,67 × 10^(-4) m/s

Semikonduktor Tipe Intrinsik dan Tipe Ekstrinsik

Semikonduktor Tipe Intrinsik dan Tipe Ekstrinsik

Penggolongan Semikonduktor

1. Semikonduktor Jenis Intrinsik
2. Semikonduktor Jenis Ekstrinsik
   • Semikonduktor Tipe-P
   • Semikonduktor Tipe-N

1. Semikonduktor Jenis Intrinsik

—  Lazim dibuat dari kristal Si atau Ge yaitu jenis atom bervalensi empat (tetravalent)

—  Kristal Si atau Ge tersusun secara teratur dari atom- atom Si, atau Ge, yang mana satu atom saling mengadakan ikatan dengan 4 atom tetangga terdekatnya dengan cara membentuk orbit elektron patungan sehingga setiap atom dikitari 8 buah elektron sehingga susunannya stabil.

—  Sifat konduktor tercipta akibat ada sejumlah kecil  elektron lepas dari orbit patungan ketika atom menerima energi gelombang elektromaknetik, sehingga tersedia elektron bebas sebagai partikel pengangkut muatan negatip dan hole sebagai partikel pengangkut muatan positip.

Konduktivitas Semikonduktor Intrinsik

—  Dalam semikonduktor intrinsik sifat menghantarkan listrik disebabkan oleh terciptanya pasangan hole – elektron bebas dalam jumlah yang kecil yang lepas dari orbitnya akibat dari terpaan pancaran gelombang elektromaknetik sehingga sebagian kecil elektron orbit patungan meningkat energinya dan masuk ke wilayah conduction band menjadi elektron bebas sedang orbit yang ditinggalkan menjadi hole, sehingga hole menjadi pengangkut muatan positip dan elektron bebas menjadi pengangkut muatan negatip, kedua jenis partikel ini bergerak secara random.

—  Bila pada bahan diberi beda potensial dari luar, sambil bergerak random menelusuri valence band, hole hanyut menuju sisi tegangan rendah dan elektron bebas sambil bergerak random menelusuri conduction band elektron itu hanyut menuju sisi tegangan tinggi. Sehingga berlangsung-lah aliran arus listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah.

2. Semikonduktor Jenis Ekstrinsik

Semikonduktor  Ekstrinsik (Si & Ge) >> Dicemari

1. Atom Trivalen (Ga, In, B, Al) >> Semikonduktor Tipe P
2. Atom Pentavalen ( As, Sb, P )>> Semikonduktor Tipe N

Konduktivitas Semikonduktor Ekstrinsik

—  Konduktivitas Semikonduktor disebabkan oleh dua kelompok pengangkut muatan:

                Ÿ              Pengangkut muatan minor yang terdiri  atas pasangan   hole – elektron dari sifat intrinsik (baik pada Tipe-P                 maupun Tipe-N), serta

                Ÿ              Pengangkut muatan mayor 1 jenis yang                berupa:

Ø                  hole yang bermuatan positip (u/ Tipe-P), atau

Ø                  elektron yang bermuatan negatip (u/ Tipe-N)

—  Oleh karena konsentrasi atom acceptor maupun donor dapat di buat sesuai keinginan si pembuat maka konsentrasi pengangkut muatan mayor dapat dibuat sesuai keinginan si pembuat sehingga tingkat konduktivitasnya pun dapat dibuat sesuai keingginan.

—  Karena pembawa muatan mayor adalah banyak, maka semikonduktor ekstrinsik bisa bersifat konduktor yang lebih bagus daripada semikonduktor intrinsik.

Perumusan konduktivitas listrik dalam logam:

—  Kecepatan hanyutan (drift) elektron-elektron u adalah fungsi mobilitas elektron m_e dan kuat medan listrik E  yang dikenakan

 u = m_eE

—  Banyaknya elektron yang menembus penampang lintang A dalam satu sekon:

                             = n ´ (u ´ A)

—  Muatan yang diangkut per sekon = e n u A

—  Substitusi nilai u menghasilkan persamaan

                       I= enAm_eE = enAm_e V/l

\      R = V/I = V/(enAm_e V/l)=(l/A)(1/(enm_e)= r l/A

\      Resistivitas               r = 1/n e m_e ohm-m    dan

\      Konduktivitas     s = n e m_e    Siemens/m

dimana n adalah banyaknya elektron bebas per volume (per m³)

                         A adalah luas penampang lintang konduktor (m²)

             l   adalah panjang konduktor (m)

              I  adalah besar arus (A)

              E adalah kuat medan listrik (V/m)

             e  adalah besar muatan setiap satu elektron (Coulomb)

             m_e = mobilitas elektron ((m/s)/(V/m)= V×m²/ s)

                         u = rerata kecepatan drift (hanyut) elektron (m/s)

             V = beda potensial listrik (volt)

 (Sumber: Materi Kuliah Listrik dan Elektronika dari Pak Handoyo)

Tugas: struktur molekul Organik

Tulislah struktur molekul senyawa berikut ini :

1. ( R )- 2-kloro-2-feniletanal  atau  ( R )-  -kloro-  -fenilasetaldehida
2. 3-heksena
3. Cis-3-heksena
4. 2-etil-1-butena
5. Trans-3-heksena
6. ( Z )-3-khloro-2-fenil-2-propenal
7. ( Z )-3-khloro-3-fenil-2-propenal
8. ( 2R,3R )-2,3-dikhloro-3-fenilpropanal      —–trivial name——-
9. 3C  = propionaldehida   —–C2  = alpa       C3  = beta

• Dikumpulkan pada UAS 2018 dengan kertas HVS! Trimakasih..