SEMIKONDUKTOR DAN DIODA SEMIKONDUKTOR

SEMIKONDUKTOR DAN DIODA SEMIKONDUKTOR

MAKALAH

Diajukan Sebagai Salah Satu Tugas Mata Kuliah

Elektronika Dasar

Dosen Pengampu :  1. Diah Mulhayatiah S.Si M. Pd

                                2. Winda Setya S. Si M. Sc

DISUSUN OLEH :

KELOMPOK 4

NENG IMIYATI                                              1162070050

SANI SAFITRI                                                 1162070063

VEGGY ARIANI                                             1162070073

YOGI FALAHUDIN                                        1162070076

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MIPA

FAKULTAS TARBIYAH DAN KEGURUAN

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG

2017

Kata Pengantar

Assalamu’alaikum Wr. Wb

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat  Allah SWT, karena atas rahmat dan pertolongan-Nya kami dapat menyusun makalah tentang Semikonduktor.  Shalawat berserta salam, semoga tercurah limpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, tak lupa kepada keluarga, sahabat, dan semoga sampai kepada kita sebagai umatnya.

            Makalah ini telah kami susun dengan maksimal dan mendapatkan bantuan dari berbagai pihak sehingga dapat memperlancar pembuatan  makalah ini. Untuk itu kami menyampaikan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah berkontribusi dalam pembuatan makalah ini.

            Kami sadar bahwa masih banyak  kekurangan yang terdapat pada makalah ini, oleh karena itu kami mengharapkan kritik yang membangun dari para pembaca, akhir kata kami ucapkan Wassalamu’alaikum Wr.Wb

Bandung,     September  2017

                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                        Penyusun

Daftar Isi

Daftar Isi……………………………………………………………………:ii

Kata Pengantar…………....………………………………………………...:iii

BAB I PENDAHULUAN…………………………….…………………….:1

A.    Rumusan Masalah…………………………………………………..:1

B.     Tujuan Penulisan……………………………………………………:1

BAB II PEMBAHASAN MATERI……………………………..………….:2

A.    Teori Semikonduktor………………………………………….…….:2

B.     Semikonduktor………..………………………………………...….:14

C.     Semikonduktor Intrinsik....................................................................:15

D.    Semikonduktor Ekstrinsik……..…………………………………...:19

E.     Semikonduktor Tipe-n……………………………….………….….:20

F.      Semikonduktor Tipe-p………………...…………………………....:24

G.    Dioda Semikonduktor………………………………………….......: 34

BAB III PENUTUP………………………………………………………..: 79

DAFTAR PUSTAKA………………………………………………..…….: 81

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah pada penulisan makalah ini, adalah:

1.      Apa yang dimaksud dengan semikonduktor?

2.      Apa yang dimaksud dengan semikonduktor intrinsik?

3.      Apa yang dimaksud dengan semikonduktor ekstrinsik?

4.      Apa yang dimaksud dengan semikonduktor tipe-n?

5.      Apa yang dimaksud dengan semikonduktor tipe-p?

6.      Apa yang dimaksud dengan Dioda semikonduktor?

B.     Tujuan Penulisan

Adapun tujuan pada penulisan makalah ini, adalah:

1.      Untuk mengetahui yang dimaksud dengan semikonduktor

2.      Untuk mengetahui yang dimaksud dengan semikonduktor intrinsik

3.      Untuk mengetahui yang dimaksud dengan semikonduktor ekstrinsik

4.      Untuk mengetahui yang dimaksud semikonduktor tipe-n

5.      Untuk mengetahui yang dimaksud dengan semikonduktor tipe-p

6.      Untuk mengetahui yang dimaksud dengan Dioda semikonduktor

BAB II

PEMBAHASAN MATERI

A.    Teori Semikonduktor

1.      Struktur Atom

Bohr mengidealkan atom. Ia melihatnya sebagai inti yang dikelilingi oleh electron-elektron yang mengorbit. Inti atom mempunyai muatan positif dan menarik electron. Electron akan jatuh kedalam inti bila tanpa gaya centrifugal dalam gerakannya. Jika electron bergerak dalam orbit yang stabil ia mempunyai kecepatan yang sesuai untuk gaya centrifugal untuk mengimbangi penarikan inti. Makin dekat electron pada inti atom, ia harus bergerak lebih cepat untuk mengimbangi penarikan inti.

                       

                                    Gambar Model Bohr. Sumber: (Malvino, 1981)

                 Gambar diatas sukar menunjukkan atom-atom yang rumit. Oleh sebab itu, kita kerap kali mengimbangkan atom dalam dua dimensi. Atom silicon terisolir mempunyai 14 proton dalam intinya. Dua electron pada orbit pertama, delapan electron pada orbit kedua dan empat pada orbit terluar atau orbit valensi. 14 elektron yang berputar menetralkan muatan dari inti atom sehingga dari luar atom (secara listrik) adalah netral.

                 Gambar b menunjukkan atom germanium terisolir. Perhatikan 32 proton dalam inti atom dan 32 elektron, sama seperti silicon. Oleh sebab itu, silicon dan germanium disebut elemen tetravalent. (Tetravalent berarti mempunyai 4 elektron valensi). (Malvino, 1981)

Gambar (a) Atom Silikon, (b) Atom Germanium. Sumber: (Malvino, 1981)

2.      Jari-jari Orbital

Anda mungkin berfikir bahwa electron dapat bergerak dalam orbit dengan jari-jari yang berbeda, sesuai dengan kecepatan yang dimilkinya. Fisika modern mengatakan hal yang sebaliknya.: hanya ukuran orbit-orbit tertentu yang diizinkan. Dengan perkataan lain, beberapa jari-jari tidak diizinkan.

Sebagai contoh, orbit terkecil dalam atom hydrogen mempunyai jari-jari:

                        r₁ = 0.53 (10^-10) m

            orbit berikutnya yang diizinkan mempunyai jari-jari

                        r₂ = 2.12 (10^-10) m

                 Semua jari-jari r₁ dan r₂ terlarang. Tidak peduli berapa kecepatannya, electron tak dapat tetap dalam orbit stabil jika besarnya jari-jari terletak antara r₁ dan r_2.

                 Mengapa electron dapat bergerak hanya pada orbit ukuran tertentu? Electron tampil dengan 2 wujud yang berbeda dalam waktu yang bersamaan. Dalam beberapa percobaan, ia berlaku sebagai pertikel, sesuatu dengan massa tergumpal, dalam percobaan yang lain ia berlaku sebagai gelombang, sesuatu dengan getaran periodic dalam ruang.

                 Kita tidak dapat membahas topik ini terlalu jauh, tetapi kita hanya dapat katakana orbit electron harus memenuhi tidak hanya persamaan-persamaan untuk keadaannya sebagai partikel, tetapi juga persamaan-persamaan untuk keadaannya sebagaai gelombang. Karena ia gelombang, electron hanya dapat cocok ke dalam orbit dimana sekelilingnya sama dengan panjang gelombang electron atau beberapa kelipatannya. (panjang gelombang adalah jarak yang ditempuh gelombang dalam perioda). (Malvino, 1981)

3.      Level Energi

Dalam gambar a, energi diperlukan untk memindahkan electron dari orbit yang lebih kecil ke orbit yang lebih besar Karena kerja harus dilakukan untuk mengatasi penarikan oleh inti. Oleh sebab itu, makin besar orbit elektrin, makin besar energi potensialnya berkenaan dengan inti.

Agar mudah menggambarkannya, kita dapat menggambarkan lengkungan orbit sebagai garis datar seperti pada gambar b, orbit pertama menyatakan level energi pertama, orbit kedua adalah level energi kedua dan seterusnya. Makin tinggi level energi, makin besar energi electron dan makin besar orbitnya.

     Gambar (a) Atom yang diperbesar, (b) Level Energi.Sumber: (Malvino, 1981)

Jika energi luar seperti panas, cahaya dan radiasi lain membom atom, ini akan dapat mengangkat electron ke level energi yang lebih tinggi (orbit yang lebih besar). Dengan demikian diperoleh atom sedang dalam keadaan eksitasi. Keadaan ini tidak tertahan lama Karena electron segera kembali ke level energi semula. Pada saat ia jatuh, ia memberikan kembali energi yang diperoleh ke dalam bentuk panas, cahaya atau radiasi lain.

Gambar (a) Elektron menyerap energi, (b) Keadaan eksitasi, (c) Elektron memancarkan energi. Sumber: (Malvino, 1981)

Gambar diatas menyimpulkan proses eksitasi dan radiasi. Panah bergelombang pada gambar a menyatakan energi yang masuk. Karen electron menyerap energi lain, energi totalnya bertambah: oleh sebab itu ia dapat melepaskan tarikan inti dan pindah ke dalam orbit yang lebih besar (lihat gambar b). sekarang atom dalam keadaan eksitasi. Setelah saat electron jatuh kembali ke orbitnya semula. Karenanya ia memancarkan energi seperti ditunjukkan dalam gambar c.

Level energi penting Karena menunjukkan bagaimana bekerjanya display beefluoresen (fluorescent displays), diode pemancar sinar (Light-emitting diodes), photodiode dan transistor. (Malvino, 1981)

4.      Kristal

Jika atom-atom bergabung membentuk padatan (solid), mereka mengatur dirinya sendiri dalam pola tataan tertentu yang disebut kristal. Gaya saling memegang dari atom merupakan ikatan kovalen. Untuk melukiskan ikatan kovalen kita akan menyelidiki silicon.

Atom silicon terisolir mempunyai 4 elektron dalam orbit valensinya. Untuk alasan yang diliputi persamaan-persamaan tingkat lanjut, atom silicon yang bergabung mempunyai 8 elektron dalam orbit valensi. Untuk mengatasi ini, tiap atom silicon mendudukan dirinya antara 4 atom sislikon lainnya (lihat gambar a dibawah). Masing-masing tetangga membagi electron dengan atom pusat. Dengan jalan ini, atom pusat mengambil 4 elektron, membentuk 8 elektron dalam orbit valensi. Sebenarnya, electron tidak selamanya milik satu atom, mereka dibagi oleh atom-atom yang berbatasan. Pembagian ini yang membentuk ikatan kovalen.

Gambar b melambangkan pembagian timbal balik dari electron. Tiap garis mewakili electron yang terbagi. Tiap electron terbagi membentuk ikatan antara atom pusat dan tetangganya. Dengan alasan ilmiah, kita sebut masing-masing garis sebagai ikatan kovalen.

Gambar (a) Ikatan kovalen, (b) Diagram ikatan, (c) Hole, (d) Ikatan putus. Sumber: (Malvino, 1981)

Jika energi luar mengangkut electron valensi ke level energi yang lebih tinggi (orbit lebih besar), electron yang keluar meninggalkan dalam orbit terluar (lihat gambar c). kita namakan lowongan in sebagai hole. Hole ekivalen dengan ikatan kovalen yang putus dan dilambangkan gambar d. (Malvino, 1981)

5.      Pita Energi (Energi Bands)

Ketika atom silicon membentuk kristal, orbit electron bukan hanya dipengaruhi oleh muatan dalam atomnya sendiri tetapi juga oleh inti electron setiap atom lain didalam kristal. Karena setiap electron mempunyai kedudukan yang berbeda didalam kristal, tidak ada dua electron terlihat benar-benar mempunyai pattern muatan sekeliling yang sama. Oeleh sebab itu, orbit tiap electron berbeda.

Gambar dibawah ini menunjukkan apa yang terjadi dengan level energi. Semua electron yang bergerak dalam orbit pertama mempunyai level energi yang sedikit berbeda Karena tidak ada dua yang benar-benar terlihat mempunyai lingkungan muatan yang sama. Karena ada bermilyar-milyar electron orbit pertama, level energi yang sedikit berbeda membentuk kelompok atau pita. Sama halnya bermilyar electron orbit kedua, semua dengan level energi yang sedikit berbeda, membentuk pita energi kedua seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dan semua electron orbit ketiga memebentuk pita ketiga.

       Gambar pita energi. Sumber: (Malvino, 1981)

Gambar yang ditemukan diatas menunjukkan pita energi. Ini akan menjadi cara kami untuk menunjukkan pita yang terisi atau saturasi: yaitu setiap orbit yang diizinkan ditempati oleh electron. Gambar diatas menunjukkan pita energi pada kristal silicon pada suhu nol mutlak (-273^oC). (Malvino, 1981)

6.      Konduksi Dalam Kristal

Gambar dibawah ini menunjukkan sebatang silicon dengan logam pada bagian ujungnya-ujungnya. Tegangan luar membentuk medan listrik antara ujung-ujung kristal. Apakah mengalir arus? Itu tergantung. Pada apa? Pada adakah electron yang dapat bergerak di dalam kristal.

a)      Nol mutlak

Pada sushu nol mutlak, electron tidak dapat bergerak melalui kristal. Semua electron dipegang kuat oleh atom-atom silicon. Electron orbit terdalam terdukubur dalam didalam atom, electron orbit terluar merupakan bagian dari ikatan kovalen dan tidak dapat putus tanpa menerima energi dari luar. Oleh sebeb itu, pada suhu nol mutlak, kristal silicon berlaku seperti isolator sempurna.

Gambar dibawah bagian b menunjukkan diagram pita energi. Tiga pita pertama terisi dan electron tidak dapat bergerak dengan mudah dalam pita-pita ini. Tetapi diatas pita valensi terdapat vita konduksi (cinduction band). Pita ini mewakili kelompok jari-jari berkutnya yang lebih besar yang memenuhi keadaan gelombang partikel dari electron. Orbit-orbit dalam pita konduksi sangat besar sehingga penarikan inti diabaikan. Dengan kata lain, jika electron dapat diangkat kedalam pita konduksi, ini sebenarnya bebas untuk bergerak dari satu atom ke atom berikutnya. Inilah mengapa electron-elektron dalam pita konduksi kerpa kali disebut electron bebas (free electron).

Gambar (a) Rangkaian, (b) Pita-pita energi pada suhu nol absolut. Sumber: (Malvino, 1981)

Pada suhu nol mutlak, pita kondisi kosong. Ini berarti tak ada electron yang mempunyai cukup besar untuk bergerak dalam orbit pita konduksi.

b)     Diatas nol mutlak

Naikkan suhu diatas nol mutlak dan sesuatu yang akan berubah. Energi panas yang datang memutuskan beberapa ikatan kovalen, energi ini memukul electron valensi kedalam pita konduksi. Dalam cara ini, kita peroleh electron pita konduksi dalam jumalh batas yang dilambangkan dengan tanda negative pada gambar a dinbawah ini. Dobawah pengaruh medan listrik, electron bebas ini bergerak ke kiri dan membentuk arus.

Diatas nol mutlak, kita menggambarkan pita energi seperti pada gambar b dibawah ini. Energi panas telah mengangkat beberapa electron ke dalam pita konduksi dimana mereka bergerak dalam orbit dengan jari-jari yang lebih besar dari sebelumnya. Dalam orbit pita konduksi yang  lebih besar, electron tidak terpegang secara kuat oleh atom dan dapat mudah bergerak dari satu atom ke atom berikutnya.

Dalam gambar b, setiap kali electron menembus kedalam pita konduksi, dihasilkan hole didalam pita valensi. Oleh sebab itu, pita valensi tidak lagi saturasi atau terisi. Tiap hole mewakili rotasi orbit yang tersedia.

Gambar (a) Aliran electron (b) pita energi pada suhu ruang. Sumber: (Malvino, 1981)

Semakin tinggi suhu, semakin besar jumlah electron tertendang ke dalam pita konduksi dan makin besar arus pada gambar a diatas. Pada suhu ruang sekitar 25^oC, arus terlalu kecil untuk digunakan pada aplikasi umumnya. Pada suhu ini sepotong silicon tidak merupakan isolator maupun konduktor yang baik. Dengan alasan inilah, ia disebut semikonduktor.

Perbandingan Silikon dan Germanium

Kristal germanium juga semikonduktor pada suhu ruang. Tetapi ada perbedaan yang pensting sekali antara silicon dan germanium. Pada suhu ruang kristal silicon mempunyai electron bebas yang lebih sedikit daripada kristal germanium. Ini salah satu alasan mengapa silicon telah menjadi bahan semi konduktor utama dalam pemakaian masa kini. (Malvino, 1981)

7.      Arus Hole

Hole juga dapat bergerak dan menghasilkan arus. Dengan perkataan lain, didalam semikonduktor ada dua macam arus yang berbeda: arus pita konduksi, dan arus hole.

a)      Bagaimana Hole Bergerak

Pada bagian paling kanan dari gambar dibawah ini adalah hole. Hole menarik electron valensi pada A. dengan perubahan energi sedikit, electron valensi pada A dapat bergerak ke dalam hole. Jika hal ini terjadi, hole yang akan mula-mula akan lenyap dan hole yang bari muncul pada posisi A. hole baru pada A dapat menarik dan menangkap electron valensi pada B. ketika electron valensi bergerak dari B ke A, hole bergerak dari A ke B. gerakan dari electron valensi dapat kontinu sepanjang jalan yang ditunjukkan oleh panah; hole bergerak dalam arah yang berlawanan. Kesimpulannya: Karena hole berada dalam orbit valensi, disanan ada jalan kedua bagi electron untuk bergerak melalui kristal.

Disini apa yang terjadi dengan level-level energi. Untuk memulai, energi thermal (sama dengan panas) menumbuk electron dari pita valensi ke dalam pita konduksi. Ini meninggalkan hole dalam pita valensi seperti ditunjukkan gambar dibawah ini. Dengan perubahan sedikit electron valensi pada A dapat bergerak kedalam hole.

                   

Gambar Hole. Sumber: (Malvino, 1981)     Gambar arus Hole. Sumber: (Malvino, 1981)

Jika ini terjadi, hole smula lenyap dan hole baru muncul pada A. kemudian electron valensi pada B dapat bergerak kedalam hole baru dengan perubahan enerdi sedikit. Dalam acara ini, dengan perubahan energy sedikit, electron valensi dapat bergerak sepanjang jalan yang di tunjkkan panah. Ini ekivalen dengan pergerakan hole melalui pita valensi sepanjang ABCDEF.

b)     Pasangan electron-hole

Jika kita memberikan tegangan luar pada kristal, ia memaksa electron untuk bergerak. Daalam gambar dibawah ini terdapat dua macamelektron yang dapat bergerak: electron pita konduksi dan electron valensi. Gerakan ekektron valensi ke kanan berarti hole sedang bergerak ke kiri.

Selamanya, kita lebih suka berbicara hole daripada tentang electron valensi. Dalam semikonduktor murni, setiap electron pita konduksi berarti ada hole dalam orbit valensi dari beberapa atom. Dengan perkataan lain, energi thermal menghasilkan pasangan electron-hole. Hoel berlaku seperti muatan positif dan tegangan alasan inilah ditunjukkan sebagai tanda positif dalam gambar b dibawah ini. Seperti sebelumnya, kita menggambarkan electron pita konduksi bergerak ke kanan. Tetapi sekarang kita berfikir tentang hole (muatan-muatan positif) bergerak ke kiri.

Gambar Dua jalan arus. Sumber: (Malvino, 1981)

c)      Rekombinasi

Dalam gambar b diatas, tiap tanda negative adalah electron pita konduksi dalam orbit besar, dan tiap tanda positif adalah hole dalam orbit yang lebih kecil. Kadang-kadang orbit pita konduksi dari satu atom dapat tumpeng tindih dengan orbit hole lainnya. Oleh sebab itu, electron pita konduksi seringkali dapat jatuh ke dalam hole. Penggabungan electron pita konduksi dan hole disebut rekomebinasi. Jika terjadi rekombinasi, hole tidak bergerak kemana-mana, ia lenyap.

Rekombinasi terjadi secra kontinu dalam semikonduktor. Karenanya, tiap hole akan mungkin diisi kecuali satu hal: energi panas yang datang menerus menghasilkan pasangan electron-hole baru. Umur hidup (life time) adalah nama yang diberikan kepada waktu rata-rata antara terciptanya dan lenyapnya pasangan electron-hole. Umur hidup berubah dari beberapa nano-detik sampai beberapa mikro-detik, tergantung pada kesempurnaan struktur kristal dan factor-faktor lain. (Malvino, 1981)

8.      Doping

Kita akan namakan kristal silicon murni (setiap atomnya adalah atom silicon) sebagai semikonduktor intrinsic. Pembawa arus dalam semikonduktor intrinsic hanyalah pasangan electron-hole. Pada aplikasi umumnya, keadaan ini tidak cukup menghasilkan arus yang terpakai.

Doping berarti penambahan atom-atom impuritas (non tetravalent) pada kristal untuk menambah jumlah electron bebas maupun hole. Jika kristal sudah di-dop, disebut semikonduktor ekstrinsik. (Malvino, 1981)

B.     Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, digunakan misalnya membuat diode, transistor, dan IC (Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi banyak transistor dan resistor dalam sekeping kristal semikonduktor dengan ukuran dibawah 1 mm².

Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal silicon. Dahulu orang juga menggunakan unsur germanium. Kedua unsur itu merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal gallium-arsenida yang terbentuk dari unsur gallium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor. Kristal ini kini banyak digunakan untuk membuat lampu LED yang dipakai untuk lampu penujuk dan laser diode. Kristal Ga As juga digunakan untuk membuat transistor yang dapat bekerja hingga daerah frekuensi tinggi, yaitu dalam daerah gelombang mikro.

Pada umumnya semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu dekat 0^oC dan pasa suhu kamar bersifat sebagai konduktor.

Bahan semikonduktor murni, yaitu yang terdiri dari unsur silicon saja atau unsur germanium saja disebut semikonduktor intrinsic.

Semikonduktor yang digunakan untuk membuat diode dan transistor terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Semikonduktor yang dihasilkan disebut semikonduktor ekstrinsik. (Sutrisno, 1986)

Semikonduktror mempunyai sifat kekonduksian diantara konduktor dan isolator. Contoh bahan semikonduktror ialah Silikon, Germanium, Plumbum Sulfida, Gallium Arsenida, Indium Antimi dadan Selenium. Bahan-bahan yang mempunyai sifat semikonduktif memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yaitu 10-6 - 104 ohm. Medan konduktivitas sebesar 10-6 - 104 ohm-2 m-2 dengan energi gap yang lebih kecil dari 6 eV. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Bahan dasar semikonduktor dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:

·         Trivalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 3 buah, contoh: Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In) .

·         Tetravalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 4 buah seperti: Silikon (Si), dan Germanium (Ge).

·         Pentavalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 5 buah, contoh: Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb).

Semikonduktor terbagi 2 jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor eksrinsik.

1.      Semikonduktor Intrinsik

Bahan semikonduktor murni yang terbuat dari Si saja atau Ge saja disebut semikonduktor intrinsik. Atom Si mempunyai elektron yang mengorbit (mengelilingi) inti sebanyak 14 dan atom Ge mempunyai 32 elektron. Elektron yang menempati orbit terluar disebut sebagai elektron valensi. Atom Si dan Ge masing-masing empunyai empat elektron valensi, disebut juga atom tetra-valent (bervalensi empat) struktur kristal Si dan Ge murni berbentuk tertrahedral ditunjukkan pada gambar 10.5. Si terikat dengan empat buah atom silikon lain membentuk ikatan kovalen. Semua elektron terikat pada atom. Kondisi ini terjadi pada suhu mendekati 0K.

Gambar 10.5 Atom berbentuk tetrahedral. Sumber: (Handayani, 2014)

Namun guna memudahkan pembahasan atom ini digambarkan secara dua dimensi seperti padagambar 10.6

Gambar 10.6 atom silikon dalam dua dimensi. Sumber: (Handayani, 2014)

Atom-atom menempati lokasi-lokasi tertentu berdasarkan tingkat-tingkt energinya yang digambarkan melalui pita seperti tampak pada gambar 10.7

Gambar 10.7 Pita Energi. Sumber: (Handayani, 2014)

Pada suhu ruangan (27ºC) elektron valensi mudah lepas dari ikatan kovalen ( dikatakan ektron valensi menjadi elektron bebas ) Energi panas ini mengangkat bebrapa elektron kedala pita konduksi. Dalam orbit pita konduksi yang lebih besar, elektron tidak terpegang secara kuat oleh atom ke atom dapat dengan mudah bergerak dari satu atom ke atom berikutnya. Jika kita beriakan beda potensial pada atom tersebut, elektron bebas akan bergerak sehingga timbul arus listrik. Makin tinggi suhu, mai banyak elektron bebas dan makin besar arus yang mengalir. Elektron valensiyang terlepas menjadi elektron bebas, menghasilkan Si terionkan. Dengan adanya beda potensial, elektron bebas dari atom Si lain akan pindah menempati lubang (hole) yang ditinggalkan oleh elektron bebas. Perpindahan ini menghasilkan arus juga. Elektron bebas yang terlepas dari ikatan kovalen disebut elektron intrinsik sedang hole yang terjadi oleh terlepasnya elektron intrinsik disebut hole intrinsik .

Pada semikonduktor intrinsic aliran listrik disebabkan oleh gerak elektro intrinsic dan hole intrinsik. Elekron intrinsik dan hole intrinsik. Elektron intrinsik dan hole intrinsik disebut sebagai pembawa muatan (charge carrier). Pada suhu ruanganterdapat kurang lebih 1.5 x  elektron bebas dalam 1  bahan Si dan 2.5 x elektron bebas pada Ge. Elektron bebas yang dihasilkan Ge lebih banyak daripada elektron bebas yang dihasilkan Si. Ini berkaitan dengan adanya level energi dalam kristal semikonduktor yang telah kita bahas di depan. Pada 0K pit vialensi berisi penuh elektron sedangkan pita konduksi kosong. Daerah antara pita konduksi dan pita valensi disebut celah energi (Energy Gap). Perbedaan energy gap antara Si Ge mengakibatkan sifat kondusi yang berbeda antara Si dan Ge. Ilustrasinya  diperlihatkan pada gambar 10.8  berikut ini :

Gambar Daerah antara pita konduksi dan pita valensi disebut celah energi (Energy Gap). Sumber: (Handayani, 2014)

Konsentrasi elektron terhadap suhu dan energy gap dinyatakan dalam persamaan:

n_i = AT ^3/2 e^-Wg/2kT

dimana,       n_i = konsentrasi electron

                    A = Luas penampang semikonduktor

                    T = Temperatur mutlak

                    Wg = Energi gap

                    k = konstanta Boltzman = 1.38 x ^10-23 J/K

Grafik dari persamaan diatas diperlihatkan pada gambar 10.10

Gambar 10.10 Grafik konstrasi electron terhadap suhu. Sumber: (Handayani, 2014)

Pada grafik gambar 10.10. tampak konsentrasi elektron tidak bertambah meskipun suhu telah dinaikkan. Mengapa jumlah elektron bebas tak berubah terhadap waktu? Hal ini karena elektron dan hole berekombinasi. Elektron-elektron bebas “tetangga” mengisi hole-hole yang ditinggalkan oleh elektron -elektron “yang lepas”. Makin banyak dihasilkan elektron bebas, makin banyak pula hole yang terjadi dan makin sering elektron bebas mengisi/jatuh ke hole (makin sering terjadi rekombinasi). Alhasil sering bertambahnya waktu pembawa muatan tak lagi bertambah. Maka pada semikonduktor intrinsic konsentrasi elektron intrinsik sama dengan konsentrasi hole intrinsic.

2.      Semikonduktor Ekstrinsik

Telah disebutkan sebelumnya bahwa semikonduktor uang digunkana untuk membuat diode dan transistor adalah semikonduktor ekstrinsik, yang dibuat dari campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan atom unsur dari kelompok III atau kelompok V dalam susunan berkala.

Campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan atom unsur kelompok V dalam susunan berkala mengandung lebih banyak banyak electron darpada lubang, sehingga pembawa muatan bebasnya bermuatan negative. Semikonduktor ektrinsik yang dibuat dengan bahan ini disebut semikonduktor jenis n. sebaliknya, campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan atom unsur dari kelompok III dalam susunan berkala mengandung lebih banyak lubang daripada electron. Akibatnya pembawa muatan bebas yang utama bermuatan positif. Semikonduktor yang dibuat dengan bahan campuran seperti ini disebut semikonduktor jenis p.

Semikonduktor ekstrinsik dibagi 2 jenis, yaitu semikonduktor tipe-n dan semikonduktor tipe-p.

a)      Semikonduktor tipe-n

Elektron-elektron dalam atom yang terisolasi disusun dalam subkulit menurut skema berikut: 1s² 2s² 2p⁵ 3s² 3p² Sebagaimana biasanya, superscript (yang dijumlahkan hingga 14, nomor atom silikon) menyatakan banyanya elektron dalam subkulit yang ditentukan. Gambar 42.9 adalah gambaran yang dibuat datar dari bagian kisi silikon murni dimana bagian ini diproyeksiakan pada sebuah bidang. Dandingkan dengan gambar 42.1b yang menyatakan sel unit dari kisi dalam tiga dimensi. Setiap atom silikon menymbangkan sepasang elektron 3s dan sepasang elektron 3p untuk membentuk kovalen dua elektron yang kokoh dengan masing-masing dari empat atom tetangga terdekatnya. (ikatan kovalen adalah ikatan diantara dua atom yang saling berbagi sepasang elektron). Keempat atom yang terletak didalam sel unit dalam gambar 42.1b menunjukan ikatan kovalen ini.

Elektron-elektronn yang membentuk silikon-silikon membentuk ikatan valensi dari sampel silikon. Jika sebuah elektron dibelah dari salah satu diantara ikatan ini sedemikian sehingga elektron ini bebas mengembara dalam kisi, kita katakan bahwa elektron dinaikan dari pita valensi ke pita konduksi. Energi minimum yang dibutuhkan untuk melakukan hal ini disebut energi celah E_g.

Karena empat iantara elektron-elektron ini dilibatkan dalam ikatan, setiap “atom” silikon kenyataannya merupakan sebuah ion yang mengandung suatu awan elektron seperti neon yang inert ( mengandung 10 elektron) yang mengelilingi sebuah nikleus bermuatan +12e, dimana angka 14 adalah nomor atom silikon. Muatan neto dari ion-ion ini adalah +4e, dan ion-ion tersebut dikatakan memiliki bilangan valensi 4.

Didalam gambar 42.9b Di dalam Gambar 42.9b, ion silikon pusat telah digantikan dengan sebuah atom fosfor (valensi = 5). Empat dari elektron valensi fosfor membentuk ikatan dengan keempat ion silikon di sekitarnya. Elektron kelima (‘'elektron ekstra") hanya terikat secara longgar dengan teras ion fosfor. Pada diagram pita energi, kita biasanya mengatakan bahwa elektron semacam itu menempati keadaan energi lokal yang terletak di dalam celah energi pada interval energi rata-rata E_d di bawah pita konduksi bagian bawah. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 42.10a. Karena E_d E_e, energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron dari tingkat energi ini ke dalam pita konduksi adalah kurang dari energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron valensi silikon ke dalam pita konduksi.

Atom fosfor disebut atom donor karena atom ini secara mudah menyumbangkan sebuah elektron ke pita konduksi. Kenyataannya, pada suhu  ruang sebenarnya semua elektron yang disumbangkan oleh atom donor berada di dalam pita konduksi. Penambahan atom donor dapat memungkinkan kenaikan yang sangat besar dari jumlah elektron di dalam pita konduksi, dengan faktor yang jauh lebih besar dibandingkan dengan yang disarankan dalam Gambar 42.10a.

Semikonduktor yang dikotori dengan atom donor disebut semikonduktor tipe n. Huruf "n" berarti "negatif" untuk mengimplikasikan bahwa pembawa muatan negatif yang disisipkan ke dalam pita konduksi benar-benar lebih banyak daripada pembawa muatan positif, yaitu hole didalam pita valensi. Pada semikonduktor tipe n.

Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) dicampur (didoping) dengan bahan bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik. Pada bahan semikonduktor intrinsik, jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama. Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan yakni holenya maupun elektron bebas tersebut. Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni, arsenik, dan paspor. Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada Gambar 1.1

     

Gambar 1 Struktur Kristal konduktor ( silikon)  Tipe-n. Sumber: (Handayani, 2014)

Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima maka empat elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silikon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak mendapatkan pasangan. Oeh karena itu ikatan elektron kelima ini dengan inti menjadi lemah dan mudah menjadi elektron bebas Karena setiap atom depan ini menyumbang sebuah elektraon, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan  donor Dan elektron "bebas" sumbangan dari atom dopan inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.

Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positif pada inti atom masih sama dengan jumlah keselunhan elektronnya. Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas) meningkat, jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan dengan bertambahnya jumlah elektron bebas maka karena kecepatan hole dan elektron bererekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole) semakin meningkat. Sehingga jumlah holenya menurun. Level dari elektron bebasatom donor dapat digambarkan seperti pada Gambar 112. Jarak antara pita konduksi dengan level energi sanagat kecil yaitu 0.05 ev untuk silikon dan 0.0l ev untuk germanium. Oleh karena itu pada suhu ruang saja, maka elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas.

                               Gambar 1.2 Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe n. Sumber: (Handayani, 2014)

Bahan semikonduktor tipe n dapat dilukiskan seperti pada Gambar 3. Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi elektron bebas), maka terjadi ion yang bermuatan positif. Sehingga digambarkan dengan tanda positip. Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas dan pembawa minoritasnya berupa hole.

Gambar 1.3 Bahan semikonduktor tipe-n. Sumber: (Handayani, 2014)

b)     Semikonduktor tipe-p

Kita mengetahui bahwa ada 3 jenis bahan berkaitan dengan sifat baik buruknya pengantaran arus listrik yaitu : Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor

Semikonduktor berada ditengah-tengah Konduktor dan Isolator, dia dapat mengantarkan arus listrik tetapi tidak sebaik konduktor, yang harus kita ketahui disini adalah bahwa Sifat konduktor dapat diubah dengan mudah hanya dengan menambahkan atom tambahan (istilahnya diberi Doping), penambahan sedikit saja dapat mempengaruhi struktur ikatan didalam semikonduktor dan akibatnya dapat mengubah sifat semikonduktor tersebut. Sifat itu pula lah yang akan menjadi dasar untuk pembentukan bahan berjenis N dan P.

Silikon dan Germanium merupakan Semikonduktor yang akan dijadikan bahan berjenis P dan N, Silikon memiliki nomor atom 14 (Si 2|8|4) sedangkan germanium 32 (Ge 2|8|18|4), keduanya memiliki elektron valensi 4, dibawah ini merupakan gambar ikatan unsur tersebut dalam keadaan yang stabil.

Tetapi jika kita memberikan doping misalnya unsur Phospor
(P 2|8|5) memiliki elektron valensi 5, maka ikatan yang terbentuk tidak stabil atau memiliki sebuah elektron bebas, seperti gambar dibawah ini.

Gambar elektron bebas. Sumber: (Handayani, 2014)

Oleh karena itu pada ikatan tersebut memiliki elektron bebas yang lebih sehingga mempengaruhi sifat unsur tersebut, untuk mengetahui perubahannya kita harus memperhatikan perubahan energi dari ikatan tersebut sebelum dan sesudah doping diberikan. Gambar dibawah ini merupakan penggambaran perubahan level energy pada unsur tersebut.

Gambar level energy Sumber: (Handayani, 2014)

Dapat kita lihat bahwa sebelum diberi doping unsur tersebut membutuhkan energy yang cukup besar untuk mencapai sifat konduksi (elektron dapat lepas dari inti) tetapi setelah diberikannya doping atau memiliki elektron bebas, pada unsur tersebut didapati donor energy, sehingga energy yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi konduksi tidak terlalu besar atau dengan kata lain atom tersebut dapat bersifat konduktor pada suhu yang lebih rendah (suhu kamar) daripada suhu sebelumnya.

Untuk bahan tipe-P kita hanya perlu mengganti jenis dopingnya, jika pada tipe N doping yang kita beri memiliki elektron valensi 5 maka pada tipe P doping yang kita beri harus memilki elektron valensi 3, sehingga pada ikatan tersebut terdapat kekurangan elektron (dengan kata lain terbentuk Hole)
pada bahan bertipe-P, Hole merupakan carrier mayoritasnya (dibutuhkan untuk pembahasan selanjutnya)

Semi konduktor yang dikotori dengan atom akseptor  disebut “semikonduktor tipe-p” huruf “p” berarti positif untuk mengimplikasikan bahwa hole yang disisipkan ke dalam pita valensi, yang berperan seperti pembawa muatan positif. Bener-bener lebih banyak daripada electron di dalam pita konduksi. Pada semikonduktor tipe-p hole adalah pembawa mayoritas, sedangkan electron adalah pembawa minoritas.

Miconductor ini dibuat dengan penambahan bahan (Ga : gallium; In :phosporous; B: boron)Memiliki tiga valence electron intrinsic semiconductor. Melalui empat lapisan luar electron yang dimilikinya, bila kedua jenis material ini bertemu satu dengan lainnya, maka atom silicon dari kedua jenis atom tidak ini tidak bisa berbagi electron, sehingga arus listrik dapat mengalir dengan mudah dimana lowongan ini disebut hole. Tipe semiconductor ini biasa disebut dengan P (positive) karena diasumsikan muatan listriknya adalah positif karena elektronnya lebih sedikit. Saat mendapat tegangan, electron mengisi sisi hole kemudian hole tersebut secara terus menerus bergerak menurun. Arus listriknya mengalir melalui hole yang ada di dalam semiconductor tipe P ini.

Gambar semiconductor tipe P. Sumber: (Handayani, 2014)

N Junction (persimpangan antara P-N)

Bila semiconductor tipe P dan N secara kimiawi dibatasi satu dengan lainnya, maka dibuat persamaan dimana tidak ada carrier (penghantar) seperti hole dan electron bebas ditahan bersama di bagian sempit dari permukaan persimpangan (junction).

Gambar semiconductor tipe P dan N. Sumber: (Handayani, 2014)

Permukaan junction ini disebut dengan depletion layer, dan semiconductor yang dipisah disebut dengan PN junction semiconductor atau diode. Maka muatan listrik yang ada dari perbedaan polaritas satu sama lainnya, menghasilkan sedikit potensial listrik, disebut dengan electric potential barrier.

Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ke-tidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p.  Bahan dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium.  Struktur kisi-kisi kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti gambar 4.  Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam gambar 1.8 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa dipenuhi.  Sedangkan tempat yang seharusnya membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk hole) dan bisa ditempati oleh elektron valensi lain. 

Dengan demikian sebuah atom bervalensi tiga akan menyumbangkan sebuah hole.Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron.

Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah netral.  Karena jumlah hole dan elektronnya sama.  Pada bahan type p, hole merupakan pembawa muatan mayoritas.  Karena dengan penambahan atom dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron. (Handayani, 2014)

3.      Karesteristik Semikonduktor

a)      Semikonduktor elemental

Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada sistem 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.

b)     Semikonduktor gabungan

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.

4.      Karakterisasi Semikonduktor Tio2 (Zno) Sebagai Sensor Liquefied Petroleum Gas (Lpg)

Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi sensor liquefied petroleum gas (LPG) berupa pelet dengan bahan utama TiO2 didoping oleh ZnO. Pelet sensor LPG dibuat dengan variasi doping ZnO 0%, 2%,4%, 6%, 8%, dan 10% terhadap bahan utama TiO2. Proses pembuatan material sensor LPG terdiri dari beberapa langkah yaitu pencampuran bahan, kalsinasi pada temperatur 800ºC selama 4 jam, penggerusan, kompaksi, dan sintering pada temperatur 900ºC selama 4 jam. Sensor LPG diuji pada temperatur ruang (30ºC) dengan melihat karakteristik I-V, nilai sensitivitas, dan nilai konduktivitas. Karakteristik I-V menunjukkan perubahan terbesar terjadi pada sampel TiO2+10% ZnO. Nilai sensitivitas tertinggi dimiliki sampel TiO2+10% ZnO sebesar 10,00 pada tegangan 21 Volt. Nilai konduktivitas tertinggi yaitu 1,8157 Ω-1m-1 pada sampel tanpa doping, lebih tinggi dibandingkan konduktivitas tertinggi sampel yang diberi doping yaitu 0,1045 Ω-1m-1. Kata kunci : Sensor LPG, TiO2(ZnO), karakterisasi I-V, sensitivitas, konduktivitas. (Deswardani, 2013)

Teknologi sensor saat ini sudah banyak dikembangkan, salah satunya adalah sensor gas. Indonesia saat ini sering terjadi ledakan LPG yang menyebabkan korban jiwa dan harta. Kebocoran LPG sulit diketahui secara cepat, maka sangat dibutuhkan sensor yang dapat mendeteksinya. Sensor gas sudah banyak dikembangkan dengan menggunakan bahan semikonduktor logam oksida, seperti TiO2, ZnO, CuO, dan lain-lain. Kelebihan sensor gas dengan bahan semikonduktor logam oksida adalah biaya yang lebih murah, dapat dibuat dengan metode sederhana, dan dapat diproduksi secara massal (Hendri, 2012). Sensor gas biasanya  dibuat berupa film tipis, film tebal, dan pelet. Pada penelitian ini sensor gas semikonduktor metal oksida dibuat dengan metode keadaan padat atau dalam bentuk pelet.

Saat ini peneltian bahan sensor gas semikonduktor logam oksida pada temperatur kerja yang tinggi sudah banyak dikembangkan. Temperatur kerja sensor gas pada umumnya sekitar 300 – 450 ºC (Wang, dkk., 2010). Sementara, penelitian bahan sensor gas semikonduktor logam oksida pada temperatur ruang (30ºC) masih sangat sedikit. Sensor gas yang dapat bekerja pada temperatur ruang merupakan sensor gas yang tidak membutuhkan energi besar untuk dapat mendeteksi gas, sehingga akan sangat bagus apabila dapat mengetahui bahan sensor gas yang mampu bekerja pada temperatur ruang.

TiO2 dikenal sebagai material logam oksida yang memiliki kemampuan sensor yang menjanjikan. TiO2 memiliki sifat fisik berupa permukaan kimia, transfer muatan, dan sifatlistrik  yang baik sehingga banyak digunakan dalam penelitian sensor gas. Pembuatan sensor LPG menggunakan bahan TiO2 sebelumnya pernah dilakukan oleh Yadav dkk. (2011). Sensor LPG berupa pelet TiO2, diuji cobakan mendeteksi LPG pada temperatur ruang.

Kemampuan sensor gas dapat ditingkatkan dengan memberi doping, dapat berupa logam mulia atau logam oksida. Doping dengan logam mulia membutuhkan biaya yang lebih mahal dan cukup sulit diperoleh dibandingkan bahan logam oksida. Bahan doping yang digunakan adalah ZnO yang merupakan salah satu bahan metal oksida. ZnO dikenal memiliki stabilitas yang baik, sensitivitas yang tinggi, pembuatan yang murah, sifat listrik yang dibutuhkan sebagai sensor gas, dan temperatur kerja yang sedang. Yadav dkk. (2012) sebelumnya sudah mengamati kemampuan ZnO sebagai sensor LPG pada temperatur ruang. Sensor LPG memiliki sensitivitas rata-rata sekitar 5.

Penelitian Yadav dkk. (2011) dan Yadav dkk. (2012) menunjukkan kemampuan TiO2 dan ZnO sebagai sensor LPG. Komposit ZnO(TiO2) sebagai detektor LPG juga sudah diamati oleh Basthoh (2013). Nilai sensitivitas tertinggi terdapat pada pelet ZnO didoping 3% TiO2 yaitu 3,0769. Penelitian ini masih mengamati temperatur kerja sensor diatas temperatur ruang yaitu 85ºC. (Deswardani, 2013)

Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa sensor sudah mampu membedakan kondisi lingkungan udara dengan lingkungan LPG. Nilai sensitivitas bahan TiO2 yang didoping dengan ZnO lebih tinggi dibandingkan dengan TiO2 tanpa doping. Nilai sensitivitas tertinggi terdapat pada sampel TiO2 + 10% ZnO yaitu 10, sedangkan senstivitas TiO2 tanpa doping tertinggi adalah 2,22. Konduktivitas TiO2 tanpa doping lebih tinggi dibandingkan dengan konduktivitas TiO2 dengan doping ZnO. Konduktivitas pada lingkungan udara lebih tinggi dibandingkan pada lingkungan LPG. Konduktivitas tertinggi pada udara yaitu  1,8157 Ω-1m 1 dan konduktivitas tertinggi pada LPG adalah 1,1453 Ω-1m-1. Sensor ini memiliki kemampuan untuk dapat bekerja pada temperatur ruang, namun masih perlu diamati lebih lanjut lagi terhadap kemampuan selektivitas sensor. (Deswardani, 2013)

5.      Prinsip Kerja Semikonduktor

Teori Dasar

Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, dimisalkan sebuah tabung atau gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan searah (DC) tepat dibawah tegangan elektrolisis, maka tidak akan ada arus yang mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan, sehingga air murni dianggap sebagai isolator. 

Jika ditambahkan sedikit garam dapur ke dalam air tersebut, maka konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas terbentuk. Dengan menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah bersifat isolator, karena pembawa muatanya tidak bebas.

Bahan silikon murni adalah termasuk sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, arsenik akan memberikan elektron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4.

Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan. Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-N (N untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-P. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit terluarnya. Pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat dilihat bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor.

Namun di dalam sebuah komponen seperti transistor bipolar dimana sebuah semikonduktor tipe-P dan sebuah semikonduktor tipe-N dibuat dalam satu keping silikon. Pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut, karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah 1, dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus dari transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran 1 : 100.000.000, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi, yaitu satu pembawa muatan untuk setiap atom.

Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom.

Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah tidak bisa dimampatkan, seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat diubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak bisa diubah. (Wahyusiswanto, 2016)

C.    Dioda Semikonduktor

Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewati arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda, yaitu dioda tabung, dioda sambungan p-n, dioda kontak titik (Point-contact diode) dan sebagainya. Dalam hal ini kita akan membatasi pembahasan pada dioda sambungan ­p-n, khususnya dioda penyearah, dioda isyarat dan dioda zener.

Dioda memegang peranan amat penting dalam elektronika, diantaranya adalah untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolak-balik, untuk mengesan gelombang radio, untuk membuat berbagai bentuk gelombang isyarat, utnuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan jala-jala (PLN), untuk saklar elektronik, LED, laser simikonduktor, mengesan gelombang mikro dan lain-lain. Beberapa pengertian dasar daripada dioda sambungan p-n digunakan pada transistor, sehingga apabila kita menguasai pengertian dasar dioda akan mudah pila kita memahami sifat tarnsistor.

1)      Sambungan p-n

Bentuk dioda yang lazim digunakan terdiri dari semikonduktor jenis p yang dibuat bersambung dengan semikonduktor jenis-n. penyambungan ini dilakukan waktu penumbuhan krstal.

Secara skematis dioda sambungan p-n dapat dilukiskan seperti pada gambar 4.1a.

Gambar 4.1 (a) susunan dioda sambungan p-n (b)Lambang diode. (Sutrisno, 1986)

        Marilah kita selidiki lebih lanjut apa yang terjadi jika suatu bahan semikonduktor jenis-p dihubungkan dengan suatu bahan semikonduktor jenis-n. isi muatan listrik kedua macam bahan ini dapat digambarkan seperti pada gambar 4,2.

       

Gambar 4.2 (a) Muatan listrik dalam bahan semikonduktor jenis-p, (b) muatan listrik dalam jenis-n

        Pada gambar 4.2 muatan yang diberi lingkaran menyatakan ion, dan muatan ini tetap ditempat, tidak bergerak walaupun diberi medan listrik. Tanda + dan – dalam kotak persegi menyatakan pembawa muatan intrinsic, yaitu yang berasal dari ikatan kovalen pada atom silicon, yang menjadi bebas oleh Karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas, yaitu lubang yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan jenis-p, dan electron bebas yang berasal dari atom donor. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan ekstrinsik.

        Apa yang terjadi bila bahan jenis-p bersambung dengan bahan jenis-n, ditunjukkan pada gambar 4.3.

Gambar 4.3 muatan listrik pada sambungan p-n. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Elektron bebas pada bahan jenis-n akan berdifusi melalui sambungan, masuk ke dalam bahan jenis p, dan terjadi rekombinasi dengan lubang-lubang yang ada dalam bahan p. sebaliknya juga terjadi, yaitu lubang bahan p berdifusi masuk kedalam bahan n, dan berekombinasi dengan elektron dan saling tepat pada meniadakan muatan. Akibatnya, tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas, yang disebut daerah pengosong (deplesion region). Oleh karena muatan positif terpisah dari muatan negatif, maka dalam daerah pengosongan terjadi medan listrik, yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya terjadi medan listrik ini terjadi beda potensial listrik (bukit potensial) anatara bagian p dan bagian n dalam daerah pengosongan. Sebaran muatan, kuat medan listrik, dan potensial listrik pada sambungan p-n, dilukiskan pada gambar 4.4.

Ingat bahwa hubungan antara kuat medan listrik E dan potensial listrik V diberikan oleh hubungan E = - , yaitu negatif daripada kemiringan grafik V(x). adanya kuat medan listrik menyebabkan terjadinya bukit potensial pada sambungan p-n. agar suatu elektron tersebut mempunyai enerhi sangat besar daripada bukit potensial, yaitu eV_ho (e=muatan elektron). Pada keadaan ini terjadi aliran arus minoritas, yaitu lubang yang ada di jenis-n dan elektron bebas yang ada dijenis-p, yang tidak dihalangi oleh bukit potensial yang akan tetapi bahkan dibantu untuk menyebrang sambungan. Pada saat yang sama lubang yang ada dijenis-p, yaitu pembawa muatan mayoritas ada juga yang mempunyai cukup energi untuk menyebrang sambungan. Dalam keadaan mantap kedua aliran ini saling meniadakan. Hal serupa terjadi dengan elektron bebas. Dapat disimpulkan bahwa tanpa tegangan, arus dioda sama dengan nol.

Peristiwa yang dilukiskan pada gambar 4.4 adalah yang terjadi jika antara ujung bahan p dan n tidak diberi sumber ggl (baterai). Sekarang antara ujung bahan p.

Gambar 4.4 (a) sambungan p-n, (b) sebaran rapat muatan p, (c) sebaran kuat medan listrik E, (d) sebaran potensial V ; V_ho = bukit potensial. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.5 Panjar maju pada sambungan p-n. Sumber: (Sutrisno, 1986)

        Dan -n kita hubungkan suatu baterai, dengan bahan-p dihubungkan dengan kutub positif dan bahan-n dengan kutub negatif. Pada keadaan ini dikatakan sambungan p-n diberi panjar maju. Lihat gambar 4.5.

Dengan adanya panjar maju ini sebaran potensial pada sambungan p-n nampal seperti pada gambar 4.6.

Dengan di beri panjar maju, bikit potensial (V_h) menjadi kurang daripada tinggi bukit potensial tegangan (V_ho). Dengan berkurangnya tinggi bukit potensial, electron dari bagian -n dan lubang dari bagian p mudah menyebrang, sehingga terjadi aliran listrik.

Gambar 4.6 sebaran potensial listrik jika dioda diberi panjar maju. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Jika kutub baterai positif dihubungkan dengan bagian n dan kutub baterai negatif dengan bagian p, diakatakan sambungan p-n diberi panjar mundur. Distribusi potensial sambugan p-n dengan tegangan mundur nampak seperti pada gambar 4.7.

Dengan adanya panjar mundur pada sambungan pn, bukit potensial bertambah tinggi, sehingga muatan ekstrinsik (elektron dalam jenis-n dan lubang dalam jenis-p) susah mengalir, karena tak punya cukup tenaga untuk mengatasi bukit potensial. Daptlakh disimpulkan bahwa suatu sambungan p-n akan mengalirkan arus apabila di beri tegangan maju dan susah mengalirkan arus nila diberi tegangan mundur. Ini adalah sifat dioda. Ternyata peninggian bukit potensial ini diikuti dengan pelebaran daerha pengosongan pada sambungan pn. Peristiwa terakhir ini dimanfaatkan pada dioda varikap dan pada transistor efek medan (FET).

Gambar 4.7 sebaran potensial pada sambungan pn dengan panjar mundur

(Sutrisno, 1986)

2)      Ciri Dioda Sambungan p-n

Ciri (karakteristik) dioda adalah hubungan antara arus dioda dan beda tegangan antara kedua ujung dioda. Untuk dioda sambungan p-n, lengkung cirinya adalah seperti pada gambar 4.8.

Gambar 4.8 Lengkung ciri dioda. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada lengkung ciri dioda arus diode i_D = 0 jika v_D = 0. Ini sesuai dengan yang sudah dibahas sebelumnya, yaitu pada keadaan tanpa tegangan (v_D = 0) arus minoritas dan arus mayoritas mempunyai besar sama tetapi arah yang berlawanan, sehingga arus total pada keadaan tanpa tegangan panjar sama dengan nol.

Jika diode diberi tegangan maju, yaitu v_D > 0, arus i_D mula-mula mempunyai nilai i_D  0, sehinga v_D = V_potong, setelah mana arus diode naik dengan cepatnya terhadap perubahan tegangan diode v_D. Untuk diode germanium V_potong  0.3 V. pada tegangan mundur arus yang mengalir amat kecil, dan sampai batas-batas tertentu tak bergantung pada tegangan diode. Arus ini terdiri dari arus pembawa muatan minoritas, mengalir dari anoda ke katoda, dan disebut arus penjenuhan diode. Pada tegangan mundur tertentu lengkung ciri turun dengan curam, dikatakan terjadi kedadalan (breakdown).

Tegangan mundur pada keadaan itu disebut tegangan dadal atau tegangan balik puncak (peak inverse voltage- PIV). Diode penyearah ada yang mempunyai V_piv = 50 V, 100 V, 200 V, hingga beberapa kilo volt. (Sutrisno, 1986)

3)      Persamaan Dioda

Pada tegangan maju bukit potensial sambungan p-n berkurang yaitu menjadi

 V_h = V_ho – V

V_ho = tinggi bukit potensial tanpa panjar

V = beda tegangan pada dioda

Sesuai dengan statistik Boltzman, banyaknya elektron pada bagian P yang mempunyai energi diatas V_h sebanding dengan e^-qVh/kT, atau secara matematik:

n_p = n_n e^-qVh/kT

n_n = rapat elektron dari bagian n

q = muatan elektron

k= ketetapan Boltzmann

T= suhu dalam kelvin

Begitu juga halnya dengan lubang. Jika rapat lubang pada bagian p adalah p_p maka rapat lubang Pn yang dapat berdifusi ke bagian n adalah

P_p = P_p e^-qVh/kT

Arus yang disebabkan difusi pembawa muatan n_p dan muatan p_n disebut arus injeksi. Besar arus injeksi I_I ialah:

I_I = K (n_{p +} p_n)

   = K (N_d + N_a) e^-qVh/kT

N_d = rapat atom donor

N_a = rapat atom akseptor

Karena N_d dan N_a merupakan tetapan, arus injeksi I_I dapatlah ditulis sebagai

I_I = K’ e^-qVh/kT

   = K’ e^{-q(Vho + V)/kT}                                                                      (4.1)

Kita dapat menyatakan tetapan K’ dengan arus penjenuhan I_s, yaitu arus yang mengalir jika dioda diberi tegangan mundur. Kita tahu bahwa tanpa tegangan arus dioda adalah nol, karena pada keadaan ini arus injeksi sama dengan arus penjenuhan, tetapi berlawanan arah. Hal ini berarti

I_I (V=0) = - I_s = K’ e^-qVho/kT atau K’ = - I_s e^qVho/kT

Akibatnya persamaan (4.1) dapat ditulis sebagai

I_I = - I_s e^qVho/kT e^-qVho/kT atau I_I = - I_s e^qVho/kT                               (4.2)

Arus total yang mengalir dalam keadaan tegangan maju adalah

I = I_I + I_s

   = - I_s (e^qVho/kT – 1)                                                                     (4.3)

Persamaan 4.3 disebut persamaan dioda, dan memberikan bentuk fungsi teoritis untuk ciri dioda dengan tegangan maju. Jika dibandingkan dengan lengkung ciri dioda yang sebenarnya ada beberapa penyimpangan. Ini ditunjukkan pada gambar 4.9.

Gambar 4.9 Lengkungan ciri dioda. Lengkung teori: garis penuh, Lengkung sebenarnya: garis putus-putus. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.10 Suatu rangkaian setara untuk dioda. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada tegangan maju lingkungan ciri sebenarnya lebih condong daripada lengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui perduktor dalam dioda, yang dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan R_s Nilai R_s kira-kira 10 ῼ.

Penyimpanan berikutnya adalah untuk tegangan mundur, lengkungan ciri dioda lebih condong daripada lengkungan teori, sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui permukaan dioda. Hambatan ini dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan R_sh yang dipasang pararel dengan dioda.pengaruh R_s dan R_sh dilukiskan pada gambar 4.10.

Hambatan R_sh mempunyai nilai 100 k ῼ atau lebih. Penyimpangan ketiga adalah adnya kedadalan pada ciri mundur. Peristiwa ini akah dibahas kemudian dalam pembahasan mengenai dioda Zener. (Sutrisno, 1986)

4)      Pengaruh Suhu pada lengkung ciri Dioda

Perubahan suhu menyebabkan terjadinya perubahan bentuk lengkung ciri seperti ditunjukkan pada gambar 4.11.

Tampak pengaruh suhu terhadap lengkungan ciri dioda terdapat pada tegangan potong dan pada arus penjenuhan. Jika suhu dinaikkan, tegangan berkurang, tetapi arus penjenuhan bertambah, dan kemiringan lengkung ciri pada tegangan mundur pun bertambah. Pengaruh suhu oleh fungsi eksponensial e^qVho/kT yang berasal dari arus injeksilah tidaklah terlalu besar.

Gambar 4.11 Pengaruh suhu pada lengkung ciri dioda: T₂ > T₁ > T_0. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Kenikan suhu menaikkan pula iksitasi termik, sehingga rapat elektron intrinsik n_i bertambah. Dengan terjadinya rekomendasi, berlakulah hubungan pn=p_i² dengan p adalah rapat lubang ekstrinsik. Akibatnya pada bagian n berlaku

Pn =                                                                                   (4.4)

dan pada bagian p berlaku

n_p =                                                                                    (4.5)

maka rapat arus penjenuhan

J_s  C(p_n + n_p)

   = Cn_i^{2 2}                                                       (4.6)

C dan C adalah tetapan.

Akan tetapi pada suhu T

² = B²T³ e^-Eg/kT

B adalah tetapan, dan E_g adalah lebar celah pita.

Laju perubahan J_s terhadap suhu dapat diperoleh dengan mengambil diferensial J_s (T) terhadap suhu T,

( C B²T³ e^-Eg/kT)

      = C B²(  + ) T³ e^-Eg/kT                                                      (4.7)

Perubahan relatif J_s terhadap suhu menjadi

        

Untuk germanium pada 300^oK

Dengan E_g = 0.68 eV = (0.68) (q) joule, dan q adalah muatan elektron maka,

 

Pada suhu T = 300^oK

Sehingga perubahan relatif arus penjenuhan:

= 300^oK =

Untuk silikon pada suhu 300^oK dengan E_g = 1.1 eV, laju perubahan relatif J_s adalah:

= 300^oK = 0.16 = 16%

Tampak untuk germanium aetiap perubahan suhu sebesar 10^oC menyebabkan perubahan J_s sebesar 100% ataupun perubahan arus penjenuhan menjadi dua kali lipat. Untuk silikon arus penjenuhan menjadi dua kali lipat untuk kenaikan 6^oC. (Sutrisno, 1986)

5)      Garis beban pada rangkaian dioda

Amatilah rangkaian pada gambar 4.12 jika pada rangkaian diberi tegangan V_DD ada hambatan sebesar R_L, bagaimanakah kita menentukan i_D dan tegangan v_D ? satu cara yang dapat ditempuh adalah dengan menggunakan lengkung ciri dioda seperti pada gambar 4.13 yaitu harus i_D dinyatakan sebagai fungsi v_D .

Gambar 4.12 suatu rangkaian dioda                 Gambar 4.13 lengkung ciri dioda

Sumber: (Sutrisno, 1986)

Kita perlu atu informasi lagi yang dapat kita perolehdengan hukum kirchoff pada rangkaian (gambar 4.12).

V_DD = v_D + i_D R_L    atau

i_D = -  +

persamaan 4.8 menyatakan garis lurus dengan kemiringan = -  memotong sumbu v_{D =} V_DD dan sumbu i_D pada nilai i_{D  =} I_A =  _, garis ini disebut garis beban. Titik potong antara garis beban dan lengkung ciri dioda menyatakan arus dan tegangan dioda (gambar 4.14). jika V_DD tetap dan R_L diubah,kemiringan garis beban akan berubah seperti gambar 4.15.

Gambar 4.14 titik potong garis beban dengan lengkung ciri memberikan nilai i_D dan v_D yang berlaku. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.15. garis beban untuk satu nilai V_DD dan berbagai harga R_L. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.16 R_L tetap, V_DD berubah. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dekat dengan V_potong tanggapan dioda tidaklah linier dan dan disebut daerah aturan kuadrat pada arus dioda tinggi lengkungan ciri dioda tampak seperti garis lurus (sebetulnya eksponensial).daerah ini disebut daerah linier. Nyatalah untuk beroperasi pada daerah linier nilai R_L harus kecil.

Bagaimana bentuk garis beban jika R_L tetap , akan tetapi V_DD berubah? (gmbar 4.16) Karena R_L tetap, kemiringan garis beban tak berubah. Kita dapatkan garis-garis beban sejajar seperti pada gmbar 4.17.

Gambar 4.17 garis beban untukharga R_L dengan V_DD yang berlainan. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada keadaan tegangan mundur dengan VDD < PIV arus yang mengalir adalah arus-arus penjenuhan dengan nilai kecil sekali ( ),  garis beban memotong lengkung ciri pada titik q₄, dengan arus mundur I(q₄). Arus ini adalah arus pembawa muatan intrinsik yang timbul oleh dadalnya ikatan kovalen silikikon di dalam daerah penggosongan.

6)      Penyearahan Arus bolak-balik

Misalkan sumber tegangan VDD diganti dengan sumber tegangan bolak-balik (gambar 4.18). bentuk isyarat keluaran dapat diperoleh secara grafik seperti pada gambar 4.19.

Gambar 4.18. dioda pada rangkaian AC. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada saat t2, V_DD = V_p, arus dioda i_d(t) ditentukan oleh titik q₂. Untuk mendapatkan V₀ (t₂) kita buat grafik id terhadadap V₀, dan diperoleh bentuk isyarat keluaran.pada waktu isyarat maukan vt negatif garis beban memotong lengkung ciri pada q₃ dengan arus dioda i  0 , sehingga tegangan keluaran V₀ . Tampak isyarat keluaran hanya mempunyai nilai posistif saja.

Perhatikan bahwa untuk tegangan masukan Vi ( (tegangan potong), tak ada tegangan keluaran, karena arus maju pad vD <0,7 V (Si) sangat kecil. Disamping itu tegangan keluaran pada daerah ini cacad karena lengkung

Gambar 4.19 cara grafik untuk menentukan bentuk isyarat keluaran. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Berbentuk tidak linier (daerah kuadrat) . untuk mendapat tegangan keluaran yang benar-benar merupakan bagian positif. Pada isyarat masukan diperlukan dioda dengan ciriseperti pada gambar 4.20.

Gambar 4.20 isyarat keluaran pada dioda ideal. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dari pebahasan diatas nyatalah jika pada gambar 4.18, bentuk isyarat keluaran dan masukan nampak seperti pada gambar 4.21 ( untuk dioda ideal)

Gambar 4.21 penyearah setengah gelombang dengan dioda ideal. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Penyearah diatas disebut penyearah setengah gelombang.

Kita dapat memperoleh penyearah gelombang penuh dengan dua cara, cara pertama memerlukan transformator dengan sadapan pusat (center tap-CT) seperti ditunjuk pada gambar 4.22 . penyearah seperti ini disebut penyearah gelombang penuh.

Gambar 4.22 Aliran arus pada penyearah gelombang penuh, jika isyarat masuk positif. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Jika isyarat masukan positif, arus akan melalui dioda D1 dan mengalir seperti pada gambar 4.22 . jika isyarat masukan negatif, diona d2 menghantar dan jalan arus seperti pada gambar 4.23.

Gambar 4.23 Aliran arus pada penyearah gelombang penuh, jika isyarat masuk positif. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Tampak arus dioda mengalir di RL dari atas ke bawah, yaitu memberikan isyarat keluaran positif. Jika dioda dibalik, isyarat akan negatif sepertiditunjukkan pada gambar 4.24.

Gambar 4.24 penyearah gelombang penuh dengan keluaran negative. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Cara lain untuk mendapatkan keluaran gelombang penuhadalah dengan menggunakan empat dioada seperti pada gambar 4.25. penyearah seperti hal ini disebut penyearah jembatan. Jika isyarat positif arus terlihat seperti pada gamabar 4.25 dengan D₁ dan D₂ mengahantar. Jika isyarat masukan sedang negatif, arah arus nampak seperti pada gambar 4.26, denga dioda D₃ dan D₄ mengahantar

Gambar. 4.25 aliranarus pada penyearah jembatan jika isyarat masukan positif. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.26 aliran arus pada penyearah jembatanjikaisyarat negative. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Untuk penyearh jembatan, tampak transformasi tak memerlukan adanya CT. Bahkan bila dioda yang digunakan mempunyai kemampuan tegangan yang cukup, tanpa transformator pun penyearah ini dapat digunakan.

Untuk mendapat teganagan arus seaah positif dan negatif dapat digunakan rangkaian sepeti pada gamabar 4.27.

Gambar 4.27 penyearah jembatan untuk menghasilkan isyarat keluaran positif dan negative. Sumber: (Sutrisno, 1986)

7)      Penyearah dengan tapis

Agar tegangan dc yang dihasilkan penyearah arus bolak-balik dapat lebih rata, digunakan tapis lolos rendah dengan menggunkn kapasitor seperti pada gambar 4.28.

Gambar 4.28 penyearah bertapis. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.29 menunjukan bentuk tegangan dc V₀ jika C tak dipasang (dilepas) dan bila kapasitor C dipasang. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dengan adanya C, tegangan keluaran tak segera turun walaupun tegangan asukan sudah turun. Hal ini disebabkan karena kapasitor memerlukan waktu ( T = RC) untuk menggosokan muatannya. Sebelum tegngan pada kapasitor turun banyak, tegangan pada kapasitor keburu naik lagi. Tegangan yang berubah terjadi disebut tegangan riak, dengan nilai puncak ke puncak dinyatakan sebagai Vrpp. Kualitas rangkain tapis dintakan oleh nisbah riah puncak-k-puncak .

Jadi pprr =

Marilah kita coba menurunkan secara kasarhubungan antara Vrpp dengan Vp, dan frekuensi tegangan arus bolak-balik f. Untuk menentukan Vrpp secara kasar perhatikan gambar 4.30.

Gambar 4.30 Cara kasar untuk menentukan Vrpp. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Secara kasar lengkung penggosongan muatan pada kapasitor dapt kita gantikan dengan garis singgung pada t = 0 . garis singgung ini mempunyai kemiringan

∕ t = 0  (v_pe^-t/RLc)

Sehingga  = R_LC.

Dari gambar dapatlah dilihat

 =   atau

Vrpp =  Vp (untuk gelombang penuh)

Untuk setengah gelombang

Vrpp =  Vp

8)      rangkaian setara dioda

Dalam membalas rangkain yang mengandung dioda, kita seringkali dapat menggantikan dioda dengan suatu rangkaian setara. Ada dua macam rangaian setara:

1)      rangkaian setara dc untuk isyarat besar.

2)      rangkaian setara ac atau rangkaian setara isyarat kecil.

Rangkaian setara dc.

Pada gambar 4.31 untuk arus 6 mA ciri maju untuk dioda dapat digantikan dengan garis lurus A. Pada keadaan hambatan ini dioda jika diukur dengan ohmmeter adalah.

R_F =      =  83 Ω

rF =      = 200 Ω

Gambar 4.31 Hambatan dc diode adalah kebalikan kemiringan garis putus-putus. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Jika diberi tegangan panjar mundur hambatan dioda Rb dapat dinyatakan sebgai kebalikan kemiringan garis lurus B, yang untuk arus mundur lebih dari 5 mempunyai hambatan. Jadi untuk tegangan maju, dioada dapat dipandang sebagai resistor dengan hambat rp, dan pada tegangan panjar mudur dipandai sebagai resistor dengan hambatan rB , ini dilukiskan pada gambar 4.32.

Gambar 4.32 rangkaian setara diode. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dengan memberi tegangan panjar mundur atau mundur dioda dapat digunakan sebagai saklar. Penggunaan dioda untuk membentuk gelombang mudah dipahami dengan gambar diatas. Penggunting teropanjar . sebagai penerapan pengertian rangkai setara dc. Marilah kita tinjau ragkaian penggunting terpanjar sebagaimana ditunjukan pada gmabar 4.33

Gambar 4.33 (a) rangkaian penggunting terpanjar (b) rangkaian setara terpanjar maju (c) rangkaian setara terpanjar mundur. Sumber: (Sutrisno, 1986)

9)      Rangkai setara ac

Untuk isyarat ac kecil yang menumpang pada tegangan searah maju harus kita gunakan gambaran yang lain untuk dioda .ini ditunjukn pada gambar 4.35.

Gambar 4.35 tegangan diode terhadap isyarat kecil. Sumber: (Sutrisno, 1986)

iD = ID (q)+ id

vD= VD (q)= vd

VD (Q)= vd

VD (q) adalah  nilai vD jika tidak ada isyarat vD q= titik kerja (vd=0)

Hubungan antara id dan vd dapat dinyatakan oleh kemiringan garis singgung lengkung ciri pada titik q. atau id = gf vd ; dengan gf = konduktansi maju isyarat kecil.

Kebalikan gf disebut hambatan maju isyarat kecil.

rf      =  =    /(q)

untuk lengkung cirri dioda berdasar teori gf =  dapat dihitung.

Persamaan diode memberikan:

iD    = -Is (  .

  = Is( )

      = (-Is )

    (q) 

Untuk T= 300 k (suhu kamar)

  = 40 (volt)  

sehingga gf = 40 (q) atau rf =

jika (q) dinyatakan dalam mA,

                                                 rf = = ohm

sebagai contoh jika diode diberi arus panjar  (q)= 2Ma, maka hambatan isyarat kecil rf =  = 12,5 .

Agar peristiwa diatas lebih jelas, kita amati gambar 4.36.

Pada gambar 4.36 nampak kapasitor C1 untuk menyekat arus isyarat is(t) dari arus tenang (q), dan C2 untuk menyekat tegangan isyarat kecil vd(t) dari tegangan tenang (dc)  (q).

Hambatan isyarat kecil diode adalah rd =

Hambatan setara dc pada keadaan maju adalah rf =

Gambar 4.36 pengertian hambatan isyarat kecil (a) rangkaian untuk menentukan hambatan-hambatan isyarat kecil (b) lengkung cirri dioda untuk menentukan r d = . Sumber: (Sutrisno, 1986)

10)  Rangkaian pembentuk gelombang

        Sebelum kita membahas rangkaian penggunting berpanjar. Di sini akan dibahas beberapa buah rangkaian lain yang sering digunakan untuk membuat bentuk gelombang yang di inginkan.

a)      Rangkaian penggunting.

               Ada beberapa jenis rangkaian penggunting, yaitu pengguntingdioda seri, penggunting diode sejajar, penggunting terpanjar, dan penggaris.

Ø  Penggunting Diode Seri

Rangkaian penggunting diode seri ditunjukan pada gambar 4.37.

Gambar 4.37 penggunting diode seri yang membuang bagian negative dari .

 Sumber: (Sutrisno, 1986)

Bentuk tegangan keluaran  pada gambar 4.37 adalah untuk diode ideal, yaitu jika arus penjenuhan dan tegangan potong pada dioda diabaikan. Untuk dioda semikonduktor, silicon, tegangan potong mempunyai nilai kira-kira 0,6 V, dan pada dioda germanium bernilai kira-kira 0,3 V. dengan adanya tegangan potong bentuk gelombang dapat kita ramalkan sebagai berikut ( lihat gambar 4.38).

Gambar 4.38 pembentukan gelombang dengan diode.

Sumber: (Sutrisno, 1986)

        Tampak tegangan keluaran menjadi kurang dari tegangan masukan karena adanya tegangan potong dank arena kecondongan ciri static diode. Makin besar nilai  makin condong garis beban, dan diode akan beroperasi pada daerah arus kecil, yaitu daerah tak linier dekat dengan tegangan potong. Bentuk tegangan keluaran akan mengalami cacad. Nilai  menentukan arus yang melalui dioda dan harus dipilih agar arus kurang dari arus maksimum dioda.

Ø  Penggunting dioda sejajar

Bentuk rangkaian penggunting dioda sejajar adalah seperti pada gambar 4.39

Gambar 4.39 rangkaian penggunting diode sejajar. Sumber: (Sutrisno, 1986)

         Resistor  dan dioda D membentuk suatu pembagi tegangan. Hambatan diode rD kecil jika anoda positif, dan bernilai besar jika anoda negative. Akibatnya perlu diperhatikan bahwa pada saat anoda positif , arus sebesar    seluruhnya melalui dioda. Jelas  mesti dipilih agar arus dioda tak melebihi batas maksimum, resistor yang boleh dipasang pada keluaran parallel dengan dioda, harus mempunyai nilai jauh lebih besar daripada nilai hambatan mundur daripada dioda, agar tegangan keluaran tak berpengaruh oleh hambatan ini

Ø  Pengiris

        Jika pada rangkaian penggunting terpanjar kekutuban baterai kita balikkan, maka kita peroleh rangkaian pengiris seperti pada gambar 4.40

         

Gambar 4.40 rangkaian pengiris. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Ø  Penggunting dioda zener

        Dengan dioda  zener kita dapat membuat penggunting terpanjar tanpa baterai. Rangkaian yang digunakan adalah seperti pada gambar 4.40.

         

Gambar 4.41 penggunting dioda zener. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Ø  Pengapit diode.

        Suatu rangkaian pengapit adalah rangkaian yang dapat membuat agar puncak tegangan bolak-balik berada pada suatu tingkat tertentu. Rangkaian ini juga dikenal dengan nama pemulih dc atau pemuli garis dasar. Suatu rangkaian pengapit dioda yang sederhana ditunjukan pada gambar 4.42.

        

Gambar.4.42 pengapit diode. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Bagaimana ini dapat terjadi adalah sebagai berikut ( lihat gambar 4.43):

Gambar 4.43 kerja pengapit diode. Sumber: (Sutrisno, 1986)

        Pada t = 0 isyarat masukan tiba-tiba berubah positif . diode mendapat tegangan panjar maju sehingga mempunyai hambatan  yang rendah ( . Arus transien akan naik dengan segera, dan kemudian turun dengan tetapan waktu  . pada saat yang sama kapasitor C terisi hingga mempunyai beda tegangan sebesar Vm. Pada t = 1 ms+ tegangan masukan tiba-tiba berubah menjadi negatif. Tegangan panjar pada dioda menjadi mundur, dan hambatan dioda  berubah menjadi besar (  Dari gambar 4.43 (d) tampak  = -2  Tegangan  = -2  ini akan berkurang karena kapasitor bocor dengan tetapan waktu  = c. pada t = 2 ms+ tegangan kapasitor sedikit lebih kecil dari , sehingga ] 2

Tampak bahwa dengan pengapit dioda kita telah membuat puncak isyarat masukan pada 0 V atau pada garis dasar ( base line ).

Ø  Pengapit bertegangan panjar perhatikan gambar 4.44.

     

Gambar 4.44 rangkaian untuk membuat agar isyarat keluaran terapit pada bagian bawah. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dengan membalikan dioda pada gambar 4.42 kita dapatkan tingkat dc pada keluaran naik, sehingga bagian bawah isyarat terapit pada V=0. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada gambar 4.45 kita dapat membuat apitan pada suatu nilai tegangan yang positif.

Gambar 4.45 (a) rangkaian pengapit terpanjar dengan tegangan positif.

(b) dasar (t) terapit pada > 0. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Ø  Pelipat dua tegangan.

   Dengan menggunakan rangkaian seperti pada gambar 4.46 dapat kita peroleh tegangan keluaran searah dua kali nilai puncak tegangan masukan.

Gambar 4.46 (a) rangkaian (b) dilukiskan sebagai pengapit bertegangan panjar.

Pada gambar 4.46 (b) rangkaian (a) dilukiskan sehingga gabungan dioda  dan

 tampak sebagai penyearah setengah gelombang bertapiskan kapasitor . Sumber: (Sutrisno, 1986)

      

Gambar 4.47 (a)  (t) Tegangan masukan (b)  (t) (c)  (t). Sumber: (Sutrisno, 1986)

Kita dapat membuat pelipat dua tegangan yang lebih baik dengan menggunakan rangkaian seperti pada gambar 4.48.

Gambar 4.48 (a) rangkaian pelipat dua (b) bentuk isyarat. Sumber: (Sutrisno, 1986)

          Tampak bahwa dengan rangkaian ini kita peroleh tegangan keluaran  yang rata. Perbedaan antara rangkaian pada gambar 4.47 dan 4.48 adalah bahwa pada gambar 4.47 dioda  bekerja sebagai penyearah setengah gelombang bertapis, dan dioda  bekerja sebagai suatu pengapit bertegangan panjar. Pada gambar 4.48 dioda  bekerja sebagai pengapit dan  bekerja sebagai penyearah atau lebih tepat sebagai saklar pengisi kapasitor . Jika  <  saklar dioda  mati, sedang jika >  saklar dioda  terpasang.

Rangkaian pada gambar 4.47 dapat ditambah dengan sebuah dioda dan sebuah kapasitor  lagi membentuk rangkaian pelipat tiga tegangan, seperti ditunjukan pada gambar 4.49.

Gambar 4.49 (a) rangkaian pelipat tiga tegangan (b) bentuk tegangan. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Tampak pada gambar dioda  bekerja sebagai penyearah bertapis kapasitor ,  bekerja sebagai pengapit terpanjar sebesar , dan dioda  bekerja sebagai saklar untuk mengisi kapasitor .

Dengan menambah dua buah dioda dan dua buah kapasitor pada rangkaian pelipat dua pada gambar 4.48 kita dapat membuat rangkaian pelipat empat tegangan ini ditunjukan pada gambar 4.50.

Gambar 4.50 (a) rangkaian pelipat empat tegangan. (b) bentuk tegangan. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada rangkaian ini  bekerja sebagai pengapit menghasilkan tegangan  dan   bekerja sebagai saklar mengisi kapasitor  menghasilkan tegangan  selanjutnya  bekerja sebagai pengapit bertegangan panjar sebesar 2  menghasilkan tegangan  dan  bekerja sebagai saklar mengisi kapasitor , menghasilkan tegangan  rangkaian di atas dapat diteruskan untuk membuat pelipat –n, jika n genap kita harus mulai dengan mengapit, dan jika n ganjil kita mulai jaringan tangga dioda dengan suatu penyearah setengah gelombang bertapis.

11)   Kapasitansi sambungan p-n

     Pada sambungan p-n terjadi daerah pengosongan dimana tidak ada pembawa muatan bebas. Di dalam daerah pengosongan terdapat medan listrik, sehingga daerah ini berupa kapasitor yang berisi muatan. Ini dilukiskan pada gambar 4.51

     

Gambar 4.51 sambungan dioda (a) daerah pengosongan (b0 sebaran rapat muatan , (c) sebaran medan listrik (d) sebaran potensial. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dapat ditunjukan bahwa:

(1)    q    = q    agar netral .

(2)    = (  )

(3)    = (  )   

€ = permitivitas listrik

Hubungan di atas dapat diartikan sebagai berikut :

(1)    =  yaitu makin besar  maka  makin sempit .

(2)    Dan (3)           =  + untuk tegangan panjar mundur. = -  untuk tegangan panjar maju.

Pada keadaan tegangan panjar mundur daerah pengosongan melebar. Kapasitansi sambungan

Kapasitansi sambungan dapat ditentukan sebagai berikut :

C=

   =

  = (  )  

Kapasitansi sambungan mengganggu pada operasi dengan isyarat frekuensi tinggi.

Gambar 4.52 (a) dioda untuk mengesan tegangan rf , (b)  kapasitansi sambungan. Pada frekuensi tinggi  berpengaruh pada keadaan tegangan mundur waktu hambatan dioda besar. Pada frekuensi tinggi  amat kecil sehingga dalam keadaan tegangan panjar mundur terjadi bocoran melalui . Dioda pada tegangan mundur dapat dinyatakan sebagai kapasitor yang nilai kapasitasnya dapat diatur dengan tegangan panjar (gambar 4.53).

Dioda yang khusus untuk maksud ini disebut dioda varaktor atau dioda varikap.

12)  Dioda zener

   Jika tegangan mundur pada dioda p-n  diperbesar, pada suatu nilai tegangan maka arus mundur naik dengan cepat sekali, seperti pada gambar 4.54. tegangan mundur yang terjadi disebut tegangan bailik, puncak (PIV). Peristiwa ini terjadi karena dadalnya ikatan kovalen silicon di dalam daerah pengosongan pada sambungan p-n  ada dua mekanisme kedadalan :

Gambar 4.54 Kurva Dioda Zener. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Pada keadaan zener, medan listrik yang tinggi dalam daerah pengosongan menyebabkan electron pada ikatan kovalen lepas menjadi electron bebas. Pada mekanisme ini tegangan dadal (PIV) berkurang dengan naiknya suhu. Mekanisme dadal town send, terjadi karena electron bebas mendapat percepatan cukup tinggi, sehingga jika menumbuk atom akan terjadi electron bebas. Pada mekanisme yang terakhir ini tegangan dadal bertambah jika suhu naik. Tegangan dadal dapat diatur dengan mengubah konsentrasi . donor dan akseptor.

Dioda yang digunakan pada daerah dadal disebut dioda zener . diode ini digunakan untuk pengaturan tegangan, agar sumber tegangan searah tak berubah tegangan keluarnya jika diambil arusnya (dibebani) dalam batas-batas tertentu , dioda zener dibuat agar mempunyai teganga dadal (disebut tegangan zener) pada nilai tertentu antara 3 V dan 100 V.

Parameter dioda zener

Beberapa parameter dioda zener yang penting adalah :

(1)   Tegangan dadal

(2)   Koefisien suhu (perubahan tegangan zener terhadap suhu)

(3)   Kemampuan daya (lepasan daya maksimum).

(4)   Hambatan isyarat kecil  , yaitu hambatan zener terhadap perubahan tegangan kecil, atau untuk isyarat ac kecil.

Dioda zener dengan tegangan zener diatas 6 V mempunyai koefisien suhu positif dan dibawah 6 V koefisien suhu negative. Koefisien suhu minimum terjadi pada zener 6 V untuk arus 40 mA. Begitu pula hambatan isyarat kecil  yang menyatakan kebalikan kemiringan lengkung cirri dioda zener pada keadaan dadal juga berubah dengan tegangan zener. Kedua hal ini dilukiskan pada gambar 4.55 dan 4.56.

         

                   

Gambar 4.55 Koefisien suhu untuk suatu diode Zener (1N746). Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.55 dapat diartikan sebagai berikut :

Untuk  = 6 V ( = 40 mA). Koefisien suhu = 0, yaitu  tak berubah dengan suhu. Untuk zener 6 V yang dialiri arus 5 mA koefisien suhu kira-kira +1 mv /⁰C,  yaitu jika suhu naik 10⁰C tegangan zener naik 10 mv.

Pada gambar 4.56 dapat dibaca bahwa hambatan zener untuk 6 V berubah dengan arus, kira-kira 3    = 40 mA hingga 25 Ω

Untu  = 5 mA. Ini diartikan seperti pada gambar 4.58, yaitu makin besar arus  makin curam lengkung V- I.

13)  Dioda zener untuk pengaturan tegangan

   Tegangan keluaran penyearah gelombang penuh dengan tapis pada keadaan beban ringan (arus beban kecil atau besar ) adalah seperti pada gambar 4.58a.

Gambar 4.58 (a) tegangan keluaran  pada beban ringan (b) tegangan keluaran  ( arus beban  besar,  kecil. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Tampak bahwa :

(a)    turun jika arus beban  diperbesar.

(b)  Tegangan riak membesar dengan arus beban  atau jika  seperti telah dibahas yaitu =

Riak dapat diperkecil dengan menggunakan kapasitansi yang besar pada beban arus yang besar. Akan tetapi penurunan tegangan searah pada arus beban besar tetap terjadi. Penyearah di atas dikatakan tidak mempunyai pngaturan tegangan.

Suatu penyearah dengan pengaturan tegangan , mempunyai tegangan keluaran yang tetap jika diberi beban arus dalam batas tertentu. Tanpa pengaturan, penurunan, tegangan keluaran oleh arus beban terjadi karena penyearah mempunyai hambatan dalam yang terdiri dari hambatan gulungan transformator dan hambatan dalam dioda. Pada arus beban yang besar terjadi jatuh tegangan pada hambatan dalam ini sehingga tegangan keluaran berkurang (gambar 4.59).

Gambar 4.59 V_o turun oleh karena jatuh tegangan pada R_o. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Gambar 4.60 Lengkung Pembebanan. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Nilai hambatan keluaran dapat ditentukan dengan mengukur  sebagai f ungsi arus beban , hal ini dapat dilihat pada lengkung pembebanan dalam gambar 4.60. kemiringan grafik lengkung pembebanan tak lain adalah hambatan keluaran .

Pengaturan tegangan dapat dibuat dengan menggunakan dioda zener. Ini dilakukan seperti pada gambar 4.61

Gambar 4.61 Catu daya dengan pengatur Zener. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Dengan membuat  lebih besar dari tegangan zener, maka dioda zener bekerja pada derah dadal sehingga tegangan keluaran tetap untuk berbagai nilai arus beban, selama  tidak kurang dari 12 V.

Dari gambar 4.61, tampak.    =  =

Sehingga = = -

                           = -   -

Atau =   -

Persamaan diatas adalah persamaan garis beban untuk dioda zener kita. Ini dilukiskan pada gambar 4.62.

Gambar 4.62 Garis beban pada catu daya dengan pengatur Zener. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Tampaklah jika  = 0,seluruh arus  mengalir pada dioda . pada keadaan ini dioda zener menjadi panan sebab pada dioda terjadi lesapan daya sebesar  =   . Kita harus pilih nilai  agar lesapan daya ini tidak melebihi kemampuan daya dioda zener yang digunakan. Marilah kita tentukan berapa nilai  yang harus dipasang agar kita mempunyai catu daya dengan pengaturan zener yang keluarannya 12 V serta arus beban sampai 50 Ma

Pada keadaan beban penuh kita ingin agar arus zener  = 10 Ma

Yaitu agar titik operasi kita tak terlalu dekat dengan lutut cirri dioda pada keadaan dadal sehingga kita mempunyai hambatan isyarat yang kecil. Akibatnya

    = +  maks (beban penuh).

       = 10 mA +50 mA=60  Ma

Pada gambar 4.62. - = 17 V – 12 V = 5 V, sedang arus yang mengalir melalui  yaitu = 60 mA

Akibatnya  =   =    = Ω

Lesapan daya pada resistor adalah  ( )= =(5V)(60mA)=300Mw=0,3W

Sehingga dapat digunakan resistor watt.

Lesapan daya maksimum pada dioda zener adalah:  (Z)= =(12V)(60Ma)

=720 mw, yang terjadi jika arus beban =0,sehingga seluruh arus  mengalir melalui zener.

Apa yang terjadi jika arus >60mA

Jika ini terjadi maka = - <  dan tegangan keluaran akan turun oleh karena jatuh tegangan . Hal ini berarti catu daya tak lagi berpengaturan untuk arus di atas 50 mA

Bentuk lengkungan pembebanan untuk catu daya tersebut kira-kira adalah seperti pada gambar 4.63

«

Gambar 4.63 Lengkung pada pembebanan catu daya dengan pengatur Zener. Sumber: (Sutrisno, 1986)

Untuk I_L < 50 mA       r_o = r_z // R_s  r_z sebab disini r_z « R_s

Untuk I_L < 50 mA       r_o = r_z // R_s  R_s  sebab disini r_z « R_s

_{(Sutrisno, 1986)}

BAB III

PENUTUP

A.    Kesimpulan

Berdasarkan pembahasan diatas, maka kami dapat menyimpulkan:

1)      Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, digunakan misalnya membuat diode, transistor, dan IC (Integrated Circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang berisi banyak transistor dan resistor dalam sekeping kristal semikonduktor dengan ukuran dibawah 1 mm².

2)      Bahan semikonduktor murni yang terbuat dari Si saja atau Ge saja disebut semikonduktor intrinsik. Atom Si mempunyai elektron yang mengorbit (mengelilingi) inti sebanyak 14 dan atom Ge mempunyai 32 elektron. Elektron yang menempati orbit terluar disebut sebagai elektron valensi.

3)      Campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan atom unsur kelompok V dalam susunan berkala mengandung lebih banyak banyak electron darpada lubang, sehingga pembawa muatan bebasnya bermuatan negative. Semikonduktor ektrinsik yang dibuat dengan bahan ini disebut semikonduktor jenis n. sebaliknya, campuran bahan semikonduktor intrinsic dengan atom unsur dari kelompok III dalam susunan berkala mengandung lebih banyak lubang daripada electron.

4)      Elektron-elektron dalam atom yang terisolasi disusun dalam subkulit menurut skema berikut: 1s² 2s² 2p⁵ 3s² 3p² Sebagaimana biasanya, superscript (yang dijumlahkan hingga 14, nomor atom silikon) menyatakan banyanya elektron dalam subkulit yang ditentukan.

5)      Semikonduktor berada ditengah-tengah Konduktor dan Isolator, dia dapat mengantarkan arus listrik tetapi tidak sebaik konduktor, yang harus kita ketahui disini adalah bahwa Sifat konduktor dapat diubah dengan mudah hanya dengan menambahkan atom tambahan (istilahnya diberi Doping), penambahan sedikit saja dapat mempengaruhi struktur ikatan didalam semikonduktor dan akibatnya dapat mengubah sifat semikonduktor tersebut. Sifat itu pula lah yang akan menjadi dasar untuk pembentukan bahan berjenis N dan P.

6)      Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewati arus pada satu arah saja. Ada berbagai macam dioda, yaitu dioda tabung, dioda sambungan p-n, dioda kontak titik (Point-contact diode) dan sebagainya. Dalam hal ini kita akan membatasi pembahasan pada dioda sambungan ­p-n, khususnya dioda penyearah, dioda isyarat dan dioda zener.

B.     Saran

Berdasarkan pembahasan diatas, kami menyarankan kepada pembaca supaya lebih memperbanyak lagi buku yang dibaca, agar tidak salah dengan pengertian atau miskonsepsi mengenai materi yang telah dibahas diatas.

Daftar Pustaka

 

Deswardani, F., 2013. Karakterisasi Semikonduktor. 55-145-1-SM, Volume II, pp. 269-275.

Handayani, W., 2014. Elektronika 1. Tangerang: Binarupa Aksara.

Malvino, A. P., 1981. Prinsip-prinsip Elektronik. 2nd ed. Jakarta: Erlangga.

Sutrisno, 1986. ELEKTRONIKA Teori dan penerapannya. Bandung: ITB.

Wahyusiswanto, 2016. Prinsip Kerja Semikonduktor. Semikonduktor, Volume II, pp. 15-19.