Makalah Bahan Semikonduktor

BAHAN SEMIKONDUKTOR

Karakteristik Bahan Semikonduktor

Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada system periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser.

Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.

Tabel 1: karakteristik semikoduktor

Semikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika.Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

                          Gambar 1: Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2).Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.

Gambar 2: Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen

yang terputus

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskansebagai berikut

“Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrik”Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:

konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni,

        Tabel 2: Beberapa properti dasar silikon dan germanium pada 300 K

Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk

elektron – hole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.

                                               Gambar 3: Celah energy

Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)

Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2) Elemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkanpada tabel

                           Tabel 2: Elemen semikonduktor pada tabel periodic

·         Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.Secaraskematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar.

Gambar 4: Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima menggantikan                    posisi salah satu atom silicon.

·         Semikonduktor tipe-p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisasebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor (acceptor).

·         Generasi dan Rekombinasi

Proses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperatur Tdinyatakan dengan kT, dimana k adalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistic menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengan e eVG kT / . Jika energi gap eVG berharga kecil dan temperatur T tinggimaka laju generasi termal akan tinggi.Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan menghilang.Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang maka R akan berharga rendah; sebaliknya Rakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehingga R akan berharga sangattinggi.Secara umum dapat dituliskan:

R r n p (6.3)

dimanar menyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.Bahan Semikonduktor 61. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donor ND>>ni, dengan konsentrasi elektron sebesar

Model Setara Penguat

Secara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguatadalah mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output) yang besarnya sebanding dengan masukan. Besarnya tegangan keluaran (vo) dibandingkan dengan tegangan masukan (vi) dinyatakan sebagai

v = A v

Pada paragrap sebelumnya telah dijelaskan bagaimana semikonduktor sambungan NPN atau PNP terbentuk menjadi sebuah transistor. Pada beberapa rangkaian elektronik transistor sering difungsikan sebagai elemen penguat dan saklar terkendali. Dua hal yang membedakan, bila transistor dioperasikan sebagai penguat pemberian tegangan bias diletakkan pada daerah aktif (linier), sedangkan apabila transistor bekerjasebagai saklar pemberian tegangan bias berada pada daerah hantaranpenuh/sumbatan penuh (non linier).

Karakteristik masukan

Untuk memudahkan pengertian secara kualitatif perilaku dari bentukkarakteristik masukan dan keluaran suatu transistor dapat dipandang sebagai ekivalen dari dua buah dioda yang saling bertolak belakang dengan posisi katodanya saling dihubungkan.Gambar 1 memperlihatkan suatu simbol dan rangkaian pengganti transistor-npn, dimana pada daerah aktif susunan dioda antara emitor-basis mendapat tegangan bias maju (forward biased).Suatu sifat penting dari karakteristik masukan arus tegangan adalah menyerupai sifat sumber tegangan konstan yang ditandai dengan adanya tegangan ambang (V) dengan arus emitor kecil.Umumnya, besarnya tegangan ambang (V) kira-kira <0,3V untuk transistor Germanium dan <0.6V untuk transistor Silikon.Pada daerah diatas batasan tegangan ambang (V) terlihat jelas sekali bentuk kurva dapat digunakan model pendekatan linier sumber arus konstan. Pada daerah ini terlihat perubahan tegangan basis emitor (VBE) yang sedemikian kecil akan menyebabkan perubahan arus kolektor (IC) cukup besar. Dengan perilaku yang demikian ini sangat memungkinkan sekali suatu alasan kenapa transistor banyak difungsikan sebagai penguat (amplification).

           Gambar 1 : Bias dan rangkaian pengganti transistor-NPN

Agar supaya mudah dipahami, maka bentuk kurva dari karakteristik masukan dapat kita pandang sebagai perubahan tegangan basis emitor (VBE) dengan mengkondisikan tegangan antara kolektor-emitor (VCE) konstan.Persamaan (2.232) memperlihatkan kemiringan kurva hubungan fungsi perubahan antara arus kolektor (IC) terhadap tegangan basis emitor (VBE) pada saat tegangan kolektor-emitor (VCE) dikondisikan konstan.Gambar 1.memperlihatkan karakteristik masukan, dimana absis adalah arus basis (IB) dan ordinat menggambarkan tegangan basis ke emitor (VBE) untuk berbagai nilai tegangan kolektor-emitor (VCE). Pertama dapat diamati untuk tegangan kolektor emitor hubung singkat (VCE=0) dengan basis emitor terbias maju. Dengan kondisi seperti ini, karakteristik masukan dari transistor pada hakekatnya menyerupai diode persambungan yang terbias maju. Dan apabila tegangan basis menjadi nol, maka arus basis (IB) akan berada pada nilai nol juga, karena dalam keadaan ini kedua persambungan antara kolektor dan emitor dalam kondisi hubung singkat (short-circuited). Pada kenyataanya menaikan tegangan |VCE| dengan kondisi tegangan basis emitor (VBE) tetap konstan,  maka akan menyebabkan penurunan arus rekombinasi basis.

(a)                                                             (b)

Gambar 2: (a) Karakteristik masukan IB=f(VBE) dan (b) transfer IC=f(VBE)

Pemberian bias tegangan dc pada rangkaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor level tegangan dan arus yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga menentukan daerah kerja transistor. Oleh karena titik kerja tersebut merupakan titik yang tetap dalam kurva karakteristik, yang disebut dengan titik-Q (atau Quiescent Point).

Pada dasarnya titik kerja suatu rangkaian penguat bisa diletakkan dimana saja di kurva karakteristik.Agar rangkaian penguat dapat menguatkan sinyal dengan linier atau tanpa cacat, maka titik kerja transistor ditempatkan di tengah daerah aktif.Disamping itu agar titik kerja tidak diletakkan diluar batas maksimum dari arus maupun tegangan yang sudah ditentukan oleh pabrik untuk menjaga transistor dari kerusakan.  Berikut gambar kurva karakteristik transistor dengan empat buah contoh titik kerja yang diberi nama A, B, dan C.

Kurva Karakteristik Output Transistor

kurva karakteristik transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja transistor,bias tegangan transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titik kerja transistor Pada gambar diatas terlihat arus IC maksimum adalah 40 mA dan tegangan VCE maksimum sebesar 20 Volt. Disamping nilai arus dan tegangan maksimum tersebut yang tidak boleh dilampaui adalah daya kolektor maksimum PCmaks.Dalam gambar PCmaks ini ditunjukkan oleh garis lengkung putus-putus.PCmaks atau disipasi daya kolektor maksimum ini merupakan perkalian IC dengan VCE.Dengan demikian titik kerja harus diletakkan di dalam batas-batas tersebut.

Transistor yang bekerja pada titik A kurang begitu memuaskan karena termasuk pada kurva non-linier, sehingga sinyal output yang dihasilkan cenderung cacat. Demikian juga pada titik C, karena terletak hampir pada batas kemampuan VCE transistor. Disamping itu transistor juga akan cepat panas. Titik B merupakan pilihan terbaik sebagai titik kerja transistor sebagai penguat, karena terletak di tengah-tengah, sehingga memungkinkan transistor dapat menguatkan sinyal input secara maksimum tanpa cacat. Agar transistor bekerja pada suatu titik kerja tertentu diperlukan rangkaian bias. Rangkaian bias ini akan menjamin pemberian tegangan bias persambungan E-B dan B-C dari transistor dengan benar. Transistor akan bekerja pada daerah aktif bila persambungan E-B diberi bias maju dan B-C diberi bias mundur. kurva karakteristik transistor,kurva output transistor,karakteristik transistor,titik kerja transistor,bias tegangan transistor,menentukan titik kerja transistor,teori titik kerja transistor,definisi titi,k kerja transistor,faktor penentu output, faktor penguatan transistor,daerah aktif transistor,daerah mati transistor,cutt off transistor,daerah jenuh transistor Dalam praktek dikenal berbagai bentuk rangkaian bias yang masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugian. Kemantapan kerja transistor terhadap pengaruh temperatur merupakan faktor yang perlu diperhatikan dalam menentukan bentuk rangkaian bias. Karena perubahan temperatur akan mempengaruhi β (factor penguatan arus pada CE) dan arus bocor ICBO.

Konduktivitas

Sifat dari bahan konduktor adalah tidak adanya medan listrik di dalam konduktor. Pernyataan ini benar jika konduktor dalam keadaan keseimbangan statis. Tujuan dari pembicaraan ini adalah ingin menggambarkan apa yang terjadi jika muatan bergerak dalam konduktor. Muatan yang bergerak dalam sebuah konduktor, akan menghasilkan arus di bawah pengaruh medan listrik. Medan listrik ini muncul karena adanya pergerakan muatan sehingga situasinya non-elektrostatis. Keadaan ini sedikit berlawanan dengan situasi untuk
keseimbangan elektrostatis di mana muatan dalam keadaan diam sehingga tidak ada medan listrik di dalam. Muatan listrik yang dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain adalah muatan elektron. Elektron-elektron yang mudah berpindah disebut elektron bebas.Elektron-elektron bebas dalam logam merupakan gas elektron yang pada suhu sangat tinggi 70.000°C bersifat sebagai gas sempurna.Elektron-elektron bebas ini bergerak bebas di dalam sebuah bahan konduktor. Sehingga pada saat tertentu elektron-elektron ini akan berbenturan dengan elektron bebas yang lain. Dengan jumlah elektron bebas yang besar maka bahan konduktor mudah mengalirkan muatan listrik.Bahan konduktor yang baik dan sempurna jika mempunyai nilai konduktivitas yang besaryaitu (mendekati tak terhingga besarnya).Sebaliknya untuk hambatan atau hambatan jenisnya mempunyai nilai mendekati nol atau sangat kecil.

Bagaimana untuk isolator?Untuk isolator konduktivitas, hambatan, hambatan jenis, dan sifat elektron adalah berharga sebaliknya dengan konduktor.Konduktor dan isolator adalah suatu bahan yang mempunyai sifat kebalikan misalnya III untuk bahan konduktor mempunyai konduktivitas sangat besar sedang isolator sangat kecil.Konduktor mempunyai hambatan atau hambatan jenisnya kecil sedang untuk isolator hambatan atau hambatan jenisnya besar.Bagaimana untuk material atau bahan semikonduktor?Semikonduktor adalah suatu bahan atau benda yang mempunyai sifat sebagai konduktor dan isolator. Dengan kata lain bahan semikonduktor mempunyai kemampuan mengalirkan muatan di bawah sifat konduktor dan di atas sifat isolator. Untuk mendapatkan sifat konduktor dari bahan semikonduktor biasanya dilakukan penambahan jenis atom lain dengan konsentrasi tertentu atau disebut pendopingan. Contoh bahan ini adalah germanium, Ge dan silikon, Si.Bahan semikonduktor dapat dijumpai dalam penggunaan bahan-bahan elektronika.

Tabel diatas menunjukkan bahwa nilai konduktivitas untuk bahan isolator dan konduktor mempunyai rentang yang sangat besar.

PENGUAT TRANSISTOR

Transistor merupakan komponen dasar untuk system penguat. Untuk  bekerja sebagai penguat , transistor harus berada dalam keadaan aktif. Kondisi aktif dengan memberikan bias pada transistor.

Ada 3 Macam  konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu :

1. Common-Emitter (CE) atau Emitter ditanahkan
2. Common-Base (CB) atau Basis Ditanahkan dan
3. Common-Collector (CC) atau Kolektor ditanahkan.

 A. Penguat Common Base (Basis Ditanahkan)

Penguat common base adalah penguat yang kaki basis transistor di groundkan atau ditanahkan, lalu input dimasukkan ke emitor dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.

1. Penguat Common Base Mempunyai Karakter sebagai berikut :

• Adanya   isolasi yang tinggi dari output ke input sehingga meminimalkan efek umpan balik.
• Mempunyai impedansi input yang relative tinggi sehingga cocok untuk penguat sinyal kecil (Pre Amplifier)
• Sering dipakai pada penguat frekuensi tinggi pada jalur VHF dan UHF
• Bisa juga dipakai sebagai buffer atau penyangga.

B. Penguat Common Emitter (Emitor ditanahkan)

Penguat common emitter adalah penguat yang kaki emitter  transistor di groundkan atau ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.

1. Penguat Common Emiter  Mempunyai Karakter sebagai berikut :

• Sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat terhadap sinyal input
• Sangat mungkin terjadi isolasi karena adanya  umpan balik positif , sehingga sering dipasang umpan balik negative untuk mencegahnya.
• Sering dipakai pada penguat frekuensi rendah (terutama pada sinyal audio)
• Mempunyai stabilitas penguatan yang rendah karena bergantung pada kestabilan suhu dan bias transistor.

C. Penguat Common collector (kolektor ditanahkan)

Penguat common kolektor adalah penguat yang kaki kolektor  transistor di groundkan atau ditanahkan, lalu input dimasukkan ke basis dan output diambil pada kaki emitor. Penguat Common Base Mempunyai karakter sebagai penguat Arus

1. Penguat Common kolektor  Mempunyai Karakter sebagai berikut :

• Sinyal outputnya sefase dengan sinyal input
• Mempunyai penguatan tegangan sama dengan 1
• Mempunyai prnguatan arus sama dengan HFE transistor
• Cocok dipakai untuk penguat penyangga karena mempunyai impedansi output yang rendah.

a financial plan

A FINANCIAL PLAN

Hasan basri is talking with his boss. They are talking about money. Hasan is showing a plan to his boss, Mr Karim. Mr Karim is looking at the plan and asking some questions. Hasan is answering the questions. He is explaining the plan to Mr Karim. It is a plan to save money for the company. Mr karim is pleased with hasan’s plan, and the compliments hasan.

Answer :

1.      Hasan basri is talking with his boss  : Hasan basri sedang berbicara dengan bosnya.

2.      They are talking about money :  mereka sedang membicarakan tentang uang.

3.       Hasan is showing a plan to his boss, Mr Karim : hasan sedang memperlihatkan sebuah rencana untuk bosnya, Mr Karim.

4.      Mr Karim is looking at the plan and asking some questions :  Mr Karim sedang melihat rencana tersebut dan bertanya beberapa pertanyaan.

5.      Hasan is answering the questions : Hasan sedang menjawab pertanyaan tersebut.

6.      He is explaining the plan to Mr Karim : dia sedang menjelaskan rencana tersebut kepada  Mr karim.

7.      It is a plan to save money for the company : ini rencana untuk menyimpan uang untuk  perusahaan.

THE FOX AND THE BIRD

One day, a fox saw a bird sitting on the branch of a tree. In it’s mounth the bird had some food . The fox wanted this food because he was very hungry.

“You are a beautiful bird,” the fox said, but can you sing?”

“Of course, I can sing,” thought the bird, “this is a very stupid fox”. He opened  his mouth to sing and dropped the food. The fox caught the food ang said,” yes you can sing, and yau are very beautiful . But you are not very smart. And the fox  ran away with the food.

Answer:

1.      The fox wanted this food because he was very hungry : serigala mencari makanan ini karena dia sangat lapar.

2.      You are a beautiful bird,” the fox said, but can you sing?”

 : kamu adalah burung yang cantik, “ serigala berkata : tapi bisakah kamu menyanyi?”

3.      “Of course, I can sing,” thought the bird, “this is a very stupid fox” : tentu saja, saya bisa menyanyi,” kata burung itu, “ini adalah serigala yang bodoh”.

4.      ” yes you can sing, and yau are very beautiful : “ ya, kamu bisa menyanyi, dan kamu sangat cantik.

5.      But you are not very smart : tetapi kamu tidak begitu cerdas.

You can see the moon from here

one day, a tourist wanted to take pictures of the “Moment Nasional”. He was only a kilometer away and could already see the top of the monument from where he was standing.

Since it was very hot outside, he decided to take a becak. The becak driver wanted three hundred rupiahs for the ride. The tourist thought this was too much and said, “that’s too much”. He pointed to the top of the monument and added, “you can already see it from here”.

“yer sir” the becak driver replied, “you can see it from here all right, but yau can also see the moon from here”.

Answer:

1.      He was only a kilometer away and could already see the top of the monument from where he was standing : dia hanya berjarak satu kilometer dan sudah bisa melihat puncak monument dari dimana ia berdiri.

2.      Since it was very hot outside, he decided to take a becak : karena sangat panas, dia memutuskan untuk naik becak.

3.      The tourist thought this was too much and said, “that’s too much”. : turis mengnggap ini terlalu mahal dan berkata ”ini terlalu mahal” .