Semikonduktor

Prinsip Dasar
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda,
transistor dan sebuah IC (integrated circuit).
Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini
memang bukan konduktor murni.
Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut
sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki
susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
elektronnya dapat bergerak bebas.
Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu
memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron
(-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit
bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus.
Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat
melepaskan ikatan elektronelektron
ini. Satu buah
elektron lagi yaitu elektron
yang ke-29, berada pada
orbit paling luar.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Orbit terluar ini disebut pita
valensi dan elektron yang
berada pada pita ini
dinamakan elektron valensi.
Karena hanya ada satu
elektron dan jaraknya 'jauh'
dari nucleus, ikatannya
tidaklah terlalu kuat. Hanya
dengan energi yang sedikit
saja elektron terluar ini
mudah terlepas dari
ikatannya.
ikatan atom tembaga
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Pada suhu kamar, elektron
tersebut dapat bebas
bergerak atau berpindahpindah
dari satu nucleus ke
nucleus lainnya. Jika diberi
tegangan potensial listrik,
elektron-elektron tersebut
dengan mudah berpindah ke
arah potensial yang sama.
Phenomena ini yang
dinamakan sebagai arus
listrik.
Isolator adalah atom yang
memiliki elektron valensi
sebanyak 8 buah, dan
dibutuhkan energi yang
besar untuk dapat
melepaskan elektron-
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
elektron ini.
Dapat ditebak,
semikonduktor adalah unsur
yang susunan atomnya
memiliki elektron valensi
lebih dari 1 dan kurang dari
8. Tentu saja yang paling
"semikonduktor" adalah
unsur yang atomnya
memiliki 4 elektron valensi.
Susunan Atom
Semikonduktor
Bahan semikonduktor yang
banyak dikenal contohnya
adalah Silicon (Si),
Germanium (Ge) dan Galium
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Arsenida (GaAs).
Germanium dahulu adalah
bahan satu-satunya yang
dikenal untuk membuat
komponen semikonduktor.
Namun belakangan, silikon
menjadi popular setelah
ditemukan cara mengekstrak
bahan ini dari alam. Silikon
merupakan bahan terbanyak
ke dua yang ada dibumi
setelah oksigen (O2).
Pasir, kaca dan batu-batuan
lain adalah bahan alam yang
banyak mengandung unsur
silikon.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Dapatkah anda menghitung
jumlah pasir dipantai.
Struktur atom kristal silikon,
satu inti atom (nucleus)
masing-masing memiliki 4
elektron valensi.
Ikatan inti atom yang stabil
adalah jika dikelilingi oleh 8
elektron, sehingga 4 buah
elektron atom kristal
tersebut membentuk ikatan
kovalen dengan ion-ion atom
tetangganya. Pada suhu
yang sangat rendah (0oK),
struktur atom silikon
divisualisasikan seperti pada
gambar berikut.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
struktur dua dimensi kristal
Silikon
Ikatan kovalen
menyebabkan elektron tidak
dapat berpindah dari satu
inti atom ke inti atom yang
lain. Pada kondisi demikian,
bahan semikonduktor
bersifat isolator karena tidak
ada elektron yang dapat
berpindah untuk
menghantarkan listrik.
Pada suhu kamar, ada
beberapa ikatan kovalen
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
yang lepas karena energi
panas, sehingga
memungkinkan elektron
terlepas dari ikatannya.
Namun hanya beberapa
jumlah kecil yang dapat
terlepas, sehingga tidak
memungkinkan untuk
menjadi konduktor yang
baik.
Ahli-ahli fisika terutama
yang menguasai fisika
quantum pada masa itu
mencoba memberikan
doping pada bahan
semikonduktor ini.
Pemberian doping
dimaksudkan untuk
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
mendapatkan elektron
valensi bebas dalam jumlah
lebih banyak dan permanen,
yang diharapkan akan dapat
mengahantarkan listrik.
Kenyataanya demikian,
mereka memang iseng sekali
dan jenius.
Tipe-N
Misalnya pada bahan silikon
diberi doping phosphorus
atau arsenic yang
pentavalen yaitu bahan
kristal dengan inti atom
memiliki 5 elektron valensi.
Dengan doping, Silikon yang
tidak lagi murni ini (impurity
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
semiconductor) akan
memiliki kelebihan elektron.
Kelebihan elektron
membentuk semikonduktor
tipe-n. Semikonduktor tipe-n
disebut juga donor yang
siap melepaskan elektron.
doping atom pentavalen
Tipe-P
Kalau silikon diberi doping
Boron, Gallium atau Indium,
maka akan didapat
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
semikonduktor tipe-p.
Untuk mendapatkan silikon
tipe-p, bahan dopingnya
adalah bahan trivalen yaitu
unsur dengan ion yang
memiliki 3 elektron pada pita
valensi.
Karena ion silikon memiliki 4
elektron, dengan demikian
ada ikatan kovalen yang
bolong (hole). Hole ini
digambarkan sebagai
akseptor yang siap
menerima elektron.
Dengan demikian,
kekurangan elektron
menyebabkan
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
semikonduktor ini menjadi
tipe-p.
doping atom trivalen
Resistansi
Semikonduktor tipe-p atau
tipe-n jika berdiri sendiri
tidak lain adalah sebuah
resistor. Sama seperti
resistor karbon,
semikonduktor memiliki
resistansi.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Cara ini dipakai untuk
membuat resistor di dalam
sebuah komponen
semikonduktor.
Namun besar resistansi yang
bisa didapat kecil karena
terbatas pada volume
semikonduktor itu sendiri.
Dioda PN
Jika dua tipe bahan
semikonduktor ini
dilekatkan--pakai lem
barangkali ya :), maka akan
didapat sambungan P-N (p-n
junction) yang dikenal
sebagai dioda.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Pada pembuatannya
memang material tipe P dan
tipe N bukan disambung
secara harpiah, melainkan
dari satu bahan (monolitic)
dengan memberi doping
(impurity material) yang
berbeda.
sambungan p-n
Jika diberi tegangan maju
(forward bias), dimana
tegangan sisi P lebih besar
dari sisi N, elektron dengan
mudah dapat mengalir dari
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
sisi N mengisi kekosongan
elektron (hole) di sisi P.
forward bias
Sebaliknya jika diberi
tegangan balik (reverse
bias), dapat dipahami tidak
ada elektron yang dapat
mengalir dari sisi N mengisi
hole di sisi P, karena
tegangan potensial di sisi N
lebih tinggi.
Dioda akan hanya dapat
mengalirkan arus satu arah
saja, sehingga dipakai untuk
aplikasi rangkaian penyearah
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
(rectifier).
Dioda, Zener, LED, Varactor
dan Varistor adalah
beberapa komponen
semikonduktor sambungan
PN yang dibahas pada kolom
khusus.
Transistor Bipolar
Transistor merupakan dioda
dengan dua sambungan
(junction).
Sambungan itu membentuk
transistor PNP maupun NPN.
Ujung-ujung terminalnya
berturut-turut disebut
emitor, base dan kolektor.
Base selalu berada di
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
tengah, di antara emitor dan
kolektor.
Transistor ini disebut
transistor bipolar, karena
struktur dan prinsip kerjanya
tergantung dari perpindahan
elektron di kutup negatif
mengisi kekurangan elektron
(hole) di kutup positif. bi = 2
dan polar = kutup.
Adalah William Schockley
pada tahun 1951 yang
pertama kali menemukan
transistor bipolar.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Transistor npn dan pnp
Akan dijelaskan kemudian,
transistor adalah komponen
yang bekerja sebagai sakelar
(switch on/off) dan juga
sebagai penguat (amplifier).
Transistor bipolar adalah
inovasi yang mengantikan
transistor tabung (vacum
tube).
Selain dimensi transistor
bipolar yang relatif lebih
kecil, disipasi dayanya juga
lebih kecil sehingga dapat
bekerja pada suhu yang
lebih dingin.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Dalam beberapa aplikasi,
transistor tabung masih
digunakan terutama pada
aplikasi audio, untuk
mendapatkan kualitas suara
yang baik, namun konsumsi
dayanya sangat besar.
Sebab untuk dapat
melepaskan elektron, teknik
yang digunakan adalah
pemanasan filamen seperti
pada lampu pijar.
Bias DC
Transistor bipolar memiliki 2
junction yang dapat
disamakan dengan
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
penggabungan 2 buah dioda.
Emiter-Base adalah satu
junction dan Base-Kolektor
junction lainnya. Seperti
pada dioda, arus hanya akan
mengalir hanya jika diberi
bias positif, yaitu hanya jika
tegangan pada material P
lebih positif daripada
material N (forward bias).
Pada gambar ilustrasi
transistor NPN berikut ini,
junction base-emiter diberi
bias positif sedangkan basecolector
mendapat bias
negatif (reverse bias).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
arus elektron transistor npn
Karena base-emiter
mendapat bias positif maka
seperti pada dioda, elektron
mengalir dari emiter menuju
base.
Kolektor pada rangkaian ini
lebih positif sebab mendapat
tegangan positif. Karena
kolektor ini lebih positif,
aliran elektron bergerak
menuju kutup ini.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Misalnya tidak ada kolektor,
aliran elektron seluruhnya
akan menuju base seperti
pada dioda. Tetapi karena
lebar base yang sangat tipis,
hanya sebagian elektron
yang dapat bergabung
dengan hole yang ada pada
base.
Sebagian besar akan
menembus lapisan base
menuju kolektor.
Inilah alasannya mengapa
jika dua dioda digabungkan
tidak dapat menjadi sebuah
transistor, karena
persyaratannya adalah lebar
base harus sangat tipis
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
sehingga dapat diterjang
oleh elektron.
Jika misalnya tegangan
base-emitor dibalik (reverse
bias), maka tidak akan
terjadi aliran elektron dari
emitor menuju kolektor.
Jika pelan-pelan 'keran' base
diberi bias maju (forward
bias), elektron mengalir
menuju kolektor dan
besarnya sebanding dengan
besar arus bias base yang
diberikan.
Dengan kata lain, arus base
mengatur banyaknya
elektron yang mengalir dari
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
emiter menuju kolektor. Ini
yang dinamakan efek
penguatan transistor, karena
arus base yang kecil
menghasilkan arus emitercolector
yang lebih besar.
Istilah amplifier (penguatan)
menjadi salah kaprah,
karena dengan penjelasan di
atas sebenarnya yang terjadi
bukan penguatan, melainkan
arus yang lebih kecil
mengontrol aliran arus yang
lebih besar.
Juga dapat dijelaskan bahwa
base mengatur membuka
dan menutup aliran arus
emiter-kolektor (switch
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
on/off).
Pada transistor PNP,
fenomena yang sama dapat
dijelaskan dengan
memberikan bias seperti
pada gambar berikut.
Dalam hal ini yang disebut
perpindahan arus adalah
arus hole.
arus hole transistor pnp
Untuk memudahkan
pembahasan prinsip bias
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
transistor lebih lanjut,
berikut adalah terminologi
parameter transistor.
Dalam hal ini arah arus
adalah dari potensial yang
lebih besar ke potensial yang
lebih kecil.
arus potensial
IC : arus kolektor
IB : arus base
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
IE : arus emitor
VC : tegangan kolektor
VB : tegangan base
VE : tegangan emitor
VCC : tegangan pada
kolektor
VCE : tegangan jepit
kolektor-emitor
VEE : tegangan pada emitor
VBE : tegangan jepit baseemitor
ICBO : arus base-kolektor
VCB : tegangan jepit
kolektor-base
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Perlu diingat, walaupun tidak
perbedaan pada doping
bahan pembuat emitor dan
kolektor, namun pada
prakteknya emitor dan
kolektor tidak dapat dibalik.
penampang transistor
bipolar
Dari satu bahan silikon
(monolitic), emitor dibuat
terlebih dahulu, kemudian
base dengan doping yang
berbeda dan terakhir adalah
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
kolektor.
Terkadang dibuat juga efek
dioda pada terminalterminalnya
sehingga arus
hanya akan terjadi pada
arah yang dikehendaki.
2.1 DIODA
Kita dapat menyelidiki karakteristik
statik dioda, dengan cara memasang
dioda seri dengan sebuah catu daya dc
dan sebuah resistor.
Kurva karakteristik statik dioda
merupakan fungsi dari arus ID, arus
yang melalui dioda, terhadap
tegangan VD, beda tegang antara titik
a dan b (lihat gambar 1 dan gambar 2)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
karakteristik statik dioda
Karakteristik statik dioda dapat
diperoleh dengan mengukur tegangan
dioda (Vab) dan arus yang melalui
dioda, yaitu ID. Dapat diubah dengan
dua cara, yaitu mengubah VDD.
Bila arus dioda ID kita plotkan
terhadap tegangan dioda Vab, kita
peroleh karakteristik statik dioda
Bila anoda berada pada tegangan
lebih tinggi daripada katoda (VD
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
positif) dioda dikatakan mendapat
bias forward.
Bila VD negatip disebut bias reserve
atau bias mundur.
Pada gambar 2 VC disebut cut-involtage,
IS arus saturasi dan VPIV
adalah peak-inverse voltage.
Bila harga VDD diubah, maka arus ID
dan VD akan berubah pula.
Bila kita mempunyai karakteristik
statik dioda dan kita tahu harga VDD
dan RL, maka harga arus ID dan VD
dapat kita tentukan sebagai berikut.
Dari gambar 1.
VDD = Vab + (I· RL) atau
I = -(Vab/RL) + (VDD / RL)
Bila hubungan di atas kita lukiskan
pada karakteristik statik dioda kita
akan mendapatkan garis lurus dengan
kemiringan (1/RL).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Garis ini disebut garis beban (load
line). Ini ditunjukkan pada gambar 3.
MODUL 3 FI – 2104
ELEKTRONIKA 20
Kita lihat bahwa garis beban
memotong sumbu V dioda pada harga
VDD yaitu bila arus I=0, dan
memotong sumbu I pada harga
(VDD/RL).
Titik potong antara karakteristik statik
dengan garis beban memberikan
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
harga tegangan dioda VD(q) dan arus
dioda ID(q).
Dengan mengubah harga VDD kita
akan mendapatkan garis-garis beban
sejajar seperti pada gambar 3.
Bila VDD<0 dan |VDD| < VPIV
maka arus dioda yang mengalir adalah
kecil sekali, yaitu arus saturasi IS.
Arus ini mempunyai harga kira-kira 1
μA untuk dioda silikon.
5. REFERENSI
“Elektronika : teori dasar dan
penerapannya”, jilid 1, Bandung:
Penerbit ITB, 1986”
MODUL 3 FI – 2104
ELEKTRONIKA 26
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Pengenalan vacuum Tube
Pada bagian ini penulis
bermaksud mengajak para rekan
rekan tube mania untuk ngobrol
mengenai prinsip kerja dari
Tabung.
Untuk dapat mencapai suatu
pemahaman yang sistematis maka
penulis membagi obrolan ini
menjadi 6 bagian yaitu :
1. Emisi Electron
1.1 Emisi thermionic
1.2 Emisi Medan Listrik
1.3 Emisi Sekunder
1.4 Emisi Fotolistrik
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2. Diode
3. Triode
4. Tetrode
5. Pentode
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com