material elektronika

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



Electrical, magnetic and optical properties



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



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



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.



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.



Semiconductor Valence Orbit

•

The main characteristicof a semiconductor

element is that it has

four electrons in its

outer or valence orbit.



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



3D Crystal Lattice Structure



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.



Doping

• To make the semiconductor conduct electricity,other atoms called impurities must be added.

• “Impurities” are different elements.

•

This process is called doping.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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



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)



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)



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.



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.



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….?



• 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.



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



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



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)



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



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.



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



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



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)



- 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



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.

material elektronika

Documents