5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 1/37
Electronic Materials
The goal of electronic materials is togenerate and control the flow of anelectrical current.
Electronic materials include:1. Conductors: have low resistance which allows
electrical current flow
2. Insulators: have high resistance which
suppresses electrical current flow3. Semiconductors: can allow or suppress
electrical current flow
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 2/37
Electrical, magnetic and optical properties
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 3/37
Conductors
• Good conductors have low resistance so
electrons flow through them with ease.
• Best element conductors include:
– Copper, silver, gold, aluminum, & nickel
• Alloys are also good conductors:
– Brass & steel
• Good conductors can also be liquid:
– Salt water
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 4/37
Conductor Atomic Structure
• The atomic structure of good conductors usuallyincludes only one electronin their outer shell.
– It is called a valence electron.
– It is easily striped from theatom, producing currentflow.
Copper Atom
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 5/37
Insulators
• Insulators have a high resistance so currentdoes not flow in them.
• Good insulators include:
– Glass, ceramic, plastics, & wood
• Most insulators are compounds of severalelements.
• The atoms are tightly bound to one another soelectrons are difficult to strip away for currentflow.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 6/37
Semiconductors
• Semiconductors are materials that essentially canbe conditioned to act as good conductors, orgood insulators, or any thing in between.
•Common elements such as carbon, silicon, andgermanium are semiconductors.
• Silicon is the best and most widely usedsemiconductor.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 7/37
Semiconductor Valence Orbit
•
The main characteristicof a semiconductor
element is that it has
four electrons in its
outer or valence orbit.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 8/37
Crystal Lattice Structure
• The unique capability of
semiconductor atoms istheir ability to linktogether to form aphysical structure called
a crystal lattice.• The atoms link together
with one another sharingtheir outer electrons.
• These links are calledcovalent bonds. 2D Crystal Lattice Structure
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 9/37
3D Crystal Lattice Structure
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 10/37
Semiconductors can be Insulators
• If the material is pure semiconductor material like silicon,the crystal lattice structure forms an excellent insulatorsince all the atoms are bound to one another and are notfree for current flow.
• Good insulating semiconductor material is referred to asintrinsic.
• Since the outer valence electrons of each atom aretightly bound together with one another, the electrons
are difficult to dislodge for current flow.• Silicon in this form is a great insulator.
• Semiconductor material is often used as an insulator.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 11/37
Doping
• To make the semiconductor conduct electricity,other atoms called impurities must be added.
• “Impurities” are different elements.
•
This process is called doping.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 12/37
Semiconductors can be Conductors
• An impurity, or element
like arsenic, has 5 valenceelectrons.
• Adding arsenic (doping)will allow four of thearsenic valence electronsto bond with theneighboring silicon atoms.
• The one electron left overfor each arsenic atom
becomes available toconduct current flow.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 13/37
Resistance Effects of Doping
• If you use lots of arsenic atoms for doping,there will be lots of extra electrons so theresistance of the material will be low and
current will flow freely.• If you use only a few boron atoms, there will
be fewer free electrons so the resistance willbe high and less current will flow.
• By controlling the doping amount, virtuallyany resistance can be achieved.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 14/37
Another Way to Dope
• You can also dope a semiconductormaterial with an atom such as
boron that has only 3 valenceelectrons.
• The 3 electrons in the outer orbitdo form covalent bonds with itsneighboring semiconductor atomsas before. But one electron is
missing from the bond.• This place where a fourth electron
should be is referred to as a hole.
• The hole assumes a positive chargeso it can attract electrons fromsome other source.
•Holes become a type of currentcarrier like the electron to supportcurrent flow.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 15/37
Types of Semiconductor Materials
• The silicon doped with extra electrons is called
an “N type” semiconductor.
– “N” is for negative, which is the charge of an
electron.
• Silicon doped with material missing electrons
that produce locations called holes is called “P
type” semiconductor. – “P” is for positive, which is the charge of a hole.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 16/37
Current Flow in N-type Semiconductors
The DC voltage source has apositive terminal that attracts
the free electrons in thesemiconductor and pullsthem away from their atomsleaving the atoms chargedpositively.
Electrons from the negativeterminal of the supply enterthe semiconductor materialand are attracted by thepositive charge of the atomsmissing one of their
electrons. Current (electrons) flows
from the positive terminal tothe negative terminal.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 17/37
Current Flow in P-type Semiconductors
• Electrons from the negativesupply terminal are attractedto the positive holes and fillthem.
• The positive terminal of thesupply pulls the electronsfrom the holes leaving the
holes to attract moreelectrons.
• Current (electrons) flowsfrom the negative terminal tothe positive terminal.
• Inside the semiconductorcurrent flow is actually by themovement of the holes frompositive to negative.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 18/37
In Summary
• In its pure state, semiconductor material is an excellentinsulator.
• The commonly used semiconductor material is silicon.
• Semiconductor materials can be doped with other atoms toadd or subtract electrons.
• An N-type semiconductor material has extra electrons.
• A P-type semiconductor material has a shortage of electronswith vacancies called holes.
• The heavier the doping, the greater the conductivity or the
lower the resistance.• By controlling the doping of silicon the semiconductor
material can be made as conductive as desired.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 19/37
Material Semikonduktor
• Elektron bebas dan lubang
Temperatur atau energy panas menyebabkan atom-atom silikon dari kristal bergetar,
makin tinggi temperatur maka makin kuat getaran mekanik atom-atom tersebut.
Getaran yang acak dari atom-atom silikon kadang dapat mengeluarkan sebuah elektron
dari lintasan valensinya.(gambar 1-7).
Elektron yang dilepaskan memperoleh cukup tinggi untuk memasuki lintasan yang
lebih tinggi.
Dalam lintasan yang lebih tinggi ini elektron bebas itu dapat bergerak bebas , gaya
tarikan inti dapat diabaikan.
Elektron bebas meninggalkan kekosongan dalam lintasan valensi yang disebut Lubang(Hole)
Hole ini diperilaku sebagai suatu muatan positif (+) dalam arti lubang tersebut dapat
menarik dan menangkap setiap elektron yang ada disekitarnya.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 20/37
Rekombinasi dan Umur
A presentation of eSyst.org
Dalam sebuah kristal silikon murni elektron bebas dan lubang yang dibentuk
enery thermal (panas) sama banyaknya.
Elektron bebas bergerak secara acak dalam kristal, terkadang sebuah elektron
bebas akan mendekati sebuah lubang mengalami tarikan olehnya dan
memasuki lubang.
Penggabungan elektron dengan lubang tersebut disebut dengan Rekombinasi.
Waktu rata-rata antara pembentukan dan menghilangnya (karena rekombinasi)
elektron bebas tersebut disebut Umur.
Umur elektron bebas ini berkisar dari beberapa nano detik (ns) sampai
beberapa mikro detik, tergantung kepada kesempurnaan dari struktur kristal
dan faktor-faktor lainnya.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 21/37
Peristiwa kristal silikon
Setiap saat, didalam kristal silikon berlangsung peristiwa-peritiwa
sebagai berikut :
1. Beberapa elektron bebas dan lubang dibentuk oleh energi
termal
2. Elektron bebas dan lubang lainnya ber-rekombinasi
3. Beberapa elektron bebas dan lubang berada diantara kedua
keadaan tersebut diatas; mereka telah dibentuk tapi mengalami
rekombinasi
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 22/37
Pita Energi
Atom silikon bergabung membentuk padatan, lintasan sebuah elektron
dipengaruhi oleh atom-atom yang berada didekatnya dan bergabung pada
atom yang semula.
Muatan muatan yang paling dekat mempunyai pengaruh yang paling besar,
akan tetapi muatan yang jatuh pun akan sedikit berpengaruh pada lintasan
sebuah elektron.
Tingkatan energi masing – masing elektron dalam batas – batas tertentu oleh
setiap muatan kristal. Oleh karena masing-masing elektron yang
mempunyai muatan lingkungan yang sama.
Hal ini menyatakan bahwa dalam kristal tak ada dua elektron yang mempunyai
tingkatan energi yang sama(dalam fisika quantum, ini dikenal sebagai
prinsip larangan Pauli)
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 23/37
Nol mutlak
Gambar 1-8a
Tingkatan-tingkatan energi silikon pada temperatur nol mutlak.
Semua elektron yang bergerak dalam lintasan yang pertama mempunyai
tingkatan tingkatan energi yang sedikit berbeda, karena tidak ada dua
elektron pun yang mempunyai muatan lingkungan alektron yang tepat
sama.
Lintasa pertama terdapat milyaran elektron. Tingkatan energi yang sedikit
berbeda membentuk suatu gugusan atau pita.
Pada lintasan kedua membentuk pita energi yang kedua dan selanjutnya(liatgambar)
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 24/37
Pita konduksi
• Semua elektron dari lintasan yang ketiga dinama kan pita konduksi.
• Pita ini merupakan gugusan dari lintasan-lintasan yang diperkenankan
yang berada diatas pita valensi (pita ini adalah pita dari elektron-elektron
bebas
•
Pita energi yang pertama digambarkan hitam, sebagai suatu cara untukmenandai pita yang penuh atau jenuh. Yaitu semua pita-pita yang
diperkenankan diisi sudah terisikan.
• Apabila sebagian dari sebuah pita tidak dihitamkan itu berarti beberapa
lintasan masih kosong, setara dengan tingkatan-tingkatan energi yang
kosong.
• Pada temperatur nol mutlak, dalam kristal tak ada elektron bebas.
• Ruang yang kosong antara pita-pita energi disebut pita konduksi(forbidden
gaps). Karena tingkatan –tingkatan energi tidak stabil.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 25/37
Diatas nol mutlak
• Apabila temperatur ambien lebih besar dari nol mutlak, energi termalyang masuk mematahkan beberapa ikatan kovalen.
• Elektron-elektron valensi ini masuk kedalam pita konduksi (liat gambar 1-8b)
• Dengan jalan ini pita konduksi diisi elektron yang terbatas jumlahnya.Elektron –elektron ini bergerak dalam lintasan yang besar; sehinggaelektron tersebut terikat lemah oleh atom atom silikon.
• Berarti bahwa elektron tersebut dapat dengan mudah pindah dari satu ato
keatom yang berikutnya.
• Makin tinggi temperatur ambien maka makin banyak elektron yangdimasukkan kedalam pita konduksi.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 26/37
Konduksi Intrinsik
• Suatu semikonduktor intrinsik adalah suatu semikonduktor murni.
• Misal : sebuah kristal atom silikon adalah suatu semikonduktor intrinsik,
dalam hal ini bagaimana sebuah kristal silikon intrinsik dapat
menghantarkan arus.
• Gambar 1-9
• Misal : Kristal silikon intrinsik yang permukaan ujung-ujungnya dilapisi
logam. Sumber tegangan luar menghasilkan medan listrik diantara kedua
ujung kristal tersebut.
• Adakah arus yang mengalir….?
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 27/37
• Pada keadaan ini : hal ini tergantung pada temperatur. Apabila temperatur
ambien nol mutlak, masing masing atom silikon dikelilingi oleh delapan
elektron-elektron valensi ini terkait erat dan tidak dapat minggalkan atom.
• Oleh karena itu, walaupun ada tegangan yang dipasang., kristal silikon
akan berperilaku sebagai Isolator, oleh karena disebabkan tidak ada
elektron bebas yang dapat menghasilkan arus.
• Akan tetapi apabila temperatur naik diatas nol mutlak, atom atom mulai
bergetar, demikian sehingga elektron valensi dapat memperoleh energi
cukup untuk melepaskan diri dari ikatan dan masuk kedalam pita konduksi
(karena adanya elektron bebas), akan timbul arus yang kecil.
• Makin tinggi temperatur tersebut, makin besar arusnya. Pada temperatur
(25 derajat ) arus tersebut sangat kecil dibandingkan dengan sebuah
konduktor. Oleh karena itu kristal silikon disebut dengan material
semikonduktor.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 28/37
Arus dalam kristal elektron
• Pada gambar (1-9)
• Arus elektron
- Energi termal menghasilkan sebuah elektron bebas dan lubang
- Elektron bebas berada pada lintasan terbesar
- Elektron akan bergerak (pergerakan akan pindah kekanan)- Oleh karena itu akan terjadi aliran dari elektron-elektron dari kutub
negatif kekutub positif.
• Aliran lubang
- Konduktor hanya mempunyai elektron bebas- Tidak memiliki lubang (hole) pada konduktor
- Muatan-muatan yang mengalir hanya elektron-elektron bebas
- Pada bahan semikonduktor memiliki elektron-elektron dan lubang-lubang
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 29/37
Tingkatan energi
• Diatas nol mutlak
- Energi termal mendorong elektron dari pita valensi ke pita konduksi
- Menghasilkan elektron pada pita konduksi
- Sebuah lubang pada pita valensi
- Elektron bebas pada pita konduksi bergerak kekanan
- Lubang dalam pita valensi bergerak kekiri
- Termal menghasilkan banyak pasangan elektron – lubang
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 30/37
Semikonduktor vs konduktor
Pokok-pokok yang perlu diingat :
- Sebuah semikonduktor berbeda dengan konduktor
- Semikonduktor mempunyai jejak atomik yang dapat dilalui aliran muatan
- Semikonduktor biasa yang diikuti oleh elektron dalam pita konduksi
- Semikonduktor mempunyai jejak yang tidak biasa yang diikuti oleh lubang
dalam pita valensi
- Kehadiran lubang-lubang ini dalam semikonduktor memungkinkan
pembuatan dari dioda-dioda, transistor transistor, rangkaian terpadu dan
sebagai jenis piranti (devices) zat pada (semikonduktor)
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 31/37
Semikonduktor Extrinsik
Bahan Semikonduktor dimana untuk mendapatkan arus yang jumlahelektronnya diperbesar.
- Sama dengan ketidak murnian
- Pemberian ketidak murnian ini disebut (doping)
Artinya : membubuhkan atau menambahkan atom –atom takmurnian padabahan semikonduktor intrinsik (murni) untuk mengubah konduktivitaslistriknya.
Tujuan: Untuk menaikan suatu konduktivitas
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 32/37
Peningkatan elektron bebas
- - kristal murni dilelehkan
- - terjadi pemutusan ikatan-ikatan valensi
- - atom- atom yang bervalensi lima (atom donor)
- contoh : arsenikum, antimonium dan fosfor
- silikon yang telah diberi tak murnian bervalensi disebut semikonduktor
tipe-N dimana menunjukan negatif (-)
Oleh karena itu banyaknya elektron jauh lebih besar dari pada banyaknya
lubang dalam semikonduktor tipe-N, elektron bebas sering sekali juga
disebut pembawa majoritas dan lubang-lubang tersebut pembawa
minoritas.
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 33/37
Peningkatan banyaknya lubang
Bagaimana cara penambahan tak murnian untuk meningkatan kelebihan
lubang dalam kristal lubang.
- Dengan membubuhkan atau menambahkan tak murnian yang mempunyai
valensi tiga
- Yaitu mempunya elektron valensinya tiga- Contoh : almunium, boron, dan galium
- Seperti gambar (1-12a)
Oleh karena itu atom aluminium semula mempunyai tiga elektron valensi,
masing-masing tetangga bersama-sama memiliki elektron-elektron
tersebut dan menyumbang sebuah elektron, secara keseluruhan dalam
lintasan valensi hanya ada tujuh elektron. Sebuah atom bervalensi tiga
disebut atom akseptor
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 34/37
Pokok yang perlu diingat
- Sebelum diberi tak murnian, oleh pabrik, semikonduktor tersebut harus
dihasilnya sebagai kristal yang murni.
- Konduktivitas semikonduktor dapat dikontrol dengan teliti secara historis
kristal germanium yang murni dapat lebih mudah dibuat dari pada kristal
silikon murni.Oleh karena itu transistor-transistor yang pertama dibuat dari bahan
germanium.
Dalam silikon tipe-N elektron bebas merupakan mayoritas, dalam silikon
tipe-P lubang merupakan pembawa mayoritas
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 35/37
Peralatan semikonduktor
- Semiconductor device :
- Dioda (memiliki dua daerah yang diberi tak murnian)
- Tipe N dan tipe P
- Merupakan zat padat (solid state) yang paling dasar
- Pembawa mayoritas untuk mengalir dengan mudah dalam satu arah, (takberlawanan arah)
- Pengubah AC menjadi DC
- Transistor (memiliki tiga daerah yang diberi tak murnian.
- Alat dasar ini dapat memperkuat(menaikan)
- Sebagai switch elektronik (dampak besar pembuatan komputer)
- Penemuan transistor merupakan permulaan gelombang pasang daripenemuan penemuan yang berkaitan rangkaian terpadu (IC)
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 36/37
- Pada tahun 1883
- Pemancaran gas oleh kawat pijar Edison,
- Ketika elektroda ini diberi tegangan positif terhadap kawat(filamen)
- Tegangan elektrode menjadi negatif, arus pun berhenti
- Edison pembuat diode pertama, yang diakui sejarah
Kata diode adalah singkatan : (di) dua – (ode) elektrode
5/17/2018 Material Elektronika - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/material-elektronika 37/37
Persambungan PN
- Suhu ruangan (semikonduktor tipe P) pembawa muatan dengan sebagian
terbesar berupa lubang- lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak
murnian.
- Sebagian kecil elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energi termal.
- (semikonduktor tipe N) : pembawa muatan adalah elektron –elektron
bebas dan mengandung lubang –lubang yang berjumlah kecil.
Top Related