Dokumen tersebut membahas tentang dasar semikonduktor yang mencakup struktur atom, semikonduktor, konduktor dan insulator, ikatan kovalen, konduksi pada semikonduktor, dioda, bias dioda, dan karakteristik tegangan-arus dioda.

1. Dasar Semikonduktor
Amir Hamzah, ST.MT
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS RIAU

2. Pendahuluan
• Komponen-komponen elektronika seperti dioda, transistor dan
Integrated Circuit terbuat dari bahan semikonduktor.
• Topik bahasan:
- struktur atom
- semikonduktor, konduktor dan insulator.
- ikatan kovalen
- konduksi dalam semikonduktor.
- dioda
- bias dioda
- karakteristik tegangan-arus dioda
- model dioda

3. Struktur Atom
• Segala sesuatu benda terbuat dari atom-atom, dan semua atom
terdiri dari elektron, proton dan neutron.

4. Atom
• Definisi Atom
Partikel terkecil dari elemen yang tidak dapat dibagi lagi secara
kimia.
• Bagian-bagian atom:
 Nukleus :
- Proton (bermuatan positif)
- Neutron (tidak bermuatan)
 Elektron (bermuatan negatif)
Model atom Bohr

5. Atom
• Setiap atom memiliki jumlah elektron dan proton tertentu yang
membedakannya dari atom elemen lainnya. Contoh, atom hidrogen
memiliki satu proton dan satu elektron , atom helium memiliki dua
proton dan dua neutron dalam nukleus serta dua elektron pada
orbitnya.

6. Nomor Atom
• Semua elemen telah diatur dalam tabel periodik, sesuai dengan
nomor atomnya.
• Nomor atom adalah sama dengan jumlah proton dalam nukleus,
yang mana juga sama dengan jumlah elektron (seimbang).
• Contoh: hidrogen memiliki nomor atom 1 dan helium memiliki
nomor atom 2.

7. Group → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
↓ Period
1 2
1
H He
3 4 5 6 7 8 9 10
2
Li Be B C N O F Ne
11 12 13 14 15 16 17 18
3
Na Mg Al Si P S Cl Ar
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
4
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
5
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
55 56 * 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
6
Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
87 88 ** 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
7
Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
* Lanthanides
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
** Actinides
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

8. Electron Shells dan Orbit
• Lintasan orbit elektron memiliki jarak tertentu dari nukleus.
• Elektron yang dekat dengan nukleus memiliki energi yang lebih
kecil dibanding dengan elektron yang berada pada orbit yang lebih
jauh.
• Tiap jarak tertentu (orbit) dari nukleus berhubungan dengan level
energi tertentu. Dalam atom, orbit-orbit dikelompokkan dalam
pita-pita energi yang disebut dengan shells.
• Shells ditandai dengan nomor 1, 2, 3 dan seterusnya. Dengan
nomor 1 adalah yang terdekat dengan nukleus. (atau dalam
referensi lain menggunakan huruf K, L, M dst).

9. Ilustrasi Pita Energi
Energi semakin besar pada
orbit yang lebih jauh dari
nukleus

10. Elektron Valensi
• Elektron-elektron yang berada di orbit terjauh dari nukleus
memiliki energi yang lebih besar dan memiliki ikatan yang lebih
kecil/lemah dibanding dengan elektron yang berada pada orbit
yang dekat dengan nukleus (attraction force).
• Shell yang terluar disebut dengan shell valensi, dan elektronnya
disebut dengan elektron valensi.

11. Ionization
• Ketika atom menyerap energi, misal: panas atau cahaya, energi
elektron akan naik. Elektron valensi menerima energi yang lebih
dan menjadi semakin lemah ikatannya terhadap nukleus dibanding
dengan elektron terdalam, sehingga elektron akan semakin mudah
meloncat (lepas).
• Proses lepasnya elektron valensi disebut dengan ionization, yang
mengakibatkan atom lebih bermuatan positif atau disebut dengan
ion positif.
• Contoh: sebuah atom hidrogen H. Bila atom hidrogen netral
terlepas elektron valensinya maka menjadi ion positif, dengan
simbol H+. Elektron valensi yang lepas disebut dengan elektron
bebas. Ketika elektron bebas habis energi dan jatuh ke shell
terluar suatu atom hidrogen netral, maka atom tersebut menjadi
bermuatan negatif dan disebut dengan ion negatif dengan simbol
H-.

12. Jumlah Eletron Tiap Shell
• Jumlah elektron maksimum (Ne) pada tiap shell dari atom dapat
dihitung dengan persamaan:
Ne 2n 2
• Dimana n adalah nomor shell.
• Shell 1
• Shell 2
• dst

13. Semikonduktor, Konduktor dan Insulator.
Konduktor:
 Bahan yang dapat dengan mudah mengalirkan arus listrik.
 Memiliki elektron terluar/valensi kurang dari 4, sehingga mudah
lepas ikatannya.
 Konduktor terbaik adalah bahan single-element (elektron valensi
satu), seperti tembaga, perak, emas dan alumunium.
Insulator:
 Bahan yang tidak dapat mengalirkan arus listrik.
 Elektron terluar /valensi memiliki ikatan yang kuat.
 Memiliki atom terluar/valensi lebih dari 4.
 Contoh: glass, mica

14. Semikonduktor
 Bahan yang tidak konduktor dan tidak isolator tetapi bersifat
antara keduanya.
 Mudah dipengaruhi oleh temperatur dan cahaya.
 Kebanyakan memiliki atom terluar/valensi sama dengan 4 dengan
kekuatan rata-rata.
 Contoh: silicon, germanium, carbon

15. Energy Bands

16. Perbandingan atom semikonduktor dan atom konduktor

17. Silicon dan Germanium
Silikon umum digunakan sebagai bahan untuk dioda, transistor, IC dll.
Germanium memiliki elektron valensi pada shell ke empat, memiliki
level energi yang lebih besar dari silikon, dan membutuhkan energi
yang sedikit untuk lepas.
Germanium lebih tidak stabil pada temperatur tinggi.

18. Ikatan Kovalen
• Ikatan kimia dibentuk dengan satu atau lebih elektron-elektron
yang berbagi, terutama pasangan dari elektron-elektron, antara
atom-atom.
• 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 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.

19. Ikatan Kovalen

20. Konduksi pada Semikonduktor
• Diagram pita energi dari
sebuah unexcited atom
dalam kristal silikon. Tidak
ada elektron dalam pita
konduksi.
• Kondisi ini terjadi hanya
pada temperatur absolut 00
kelvin.

21. Electrons dan Holes
• Pembentukan pasangan elektron-hole dalam kristal silikon.
Elektron dalam pita konduksi adalah elektron bebas.

22. • Saat elektron melompat ke pita konduksi, tempat yang
ditinggalkan elektron tersebut disebut dengan hole.
• Rekombinasi terjadi bila elektron pada pita konduksi habis energi
dan jatuh ke hole di pita valensi.

23. Aliran Elektron dan Hole
• Bila tegangan diberilan pada antara bagian silikon, maka panas
akan membangkitkan elektron-elektron bebas dalam pita konduksi,
yang bebas bergerak secara acak dalam struktur kristal.
• Pergerakan elektron-elektron bebas ini disebut dengan aliran
elektron.
Aliran elektron

24. Aliran hole

25. Semikonduktor tipe N dan tipe P
• Konduktivitas bahan silikon dan germanium dapat ditingkatkan
dengan mengatur penambahan impurities ke bahan semikonduktor
interinsic (pure). Proses ini disebut dengan doping.
• Proses doping meningkatkan jumlah aliran pembawa (elektron atau
holes)
• Dua kategori impurities adalah tipe-n dan tipe-p.

26. Semikonduktor tipe N
• Untuk meningkatkan jumlah elektron-elektron pita konduksi dalam
silikon intrinsic, ditambahkan dengan atom impurities pentavalen,
yaitu atom dengan elektron valensi lima, seperti arsenic (As),
phosphorus (P), bismuth (Bi) dan antimony (Sb).

27. Semikonduktor tipe P
• Untuk meningkatkan jumlah holes dalam silikon intrinsic,
ditambahkan dengan atom impurities trivalen, yaitu atom dengan
elektron valensi tiga, seperti boron (B), indium (In), dan gallium
(Ga)

28. Dioda
• Dioda: komponen semikonduktor dengan satu junction pn yang
mengalirkan arus pada satu arah saja.
• Fungsi: dioda hanya mengalirkan pada satu arah dan memblok arus
pada arah yang berlawanan.
• Tanda panah dari simbol rangkaian memperlihatkan arah arus yang
dapat mengalir.
Anode Cathode
P N
Pn junction
(a) Struktur dasar dioda (b) Simbol skematik dioda

29. Formasi pn-junction
• pn junctions dibentuk dengan menggabungkan bahan
semikonduktor tipe p dan tipe n.

30. Formasi wilayah Deplesi
 Daerah-n
 Kehilangan elektron bebas saat penghamburan keseberang pn-
junction .
 Hasil : membentuk sebuah lapisan +ve dekat junction.
 Daerah-p
 Kehilangan holes sebagai gabungan elektron dan holes.
 Hasil: membentuk lapisan -ve dekat junction.
• Dua lapisan +ve dan –ve membentuk daerah deplesi.

31. Barrier Potential
• Dalam depletion region banyak terdapat muatan positif dan
muatan negatif, yang terletak pada sisi berlawanan di junction pn.
• Gaya antara muatan yang berlawanan membentuk “medan gaya”
yang disebut medan elektrik (lihat gambar)
• Untuk memindahkan elektron-elektron melintasi barrier medan
listrik depletion region, dibutuhkan energi eksternal.
• Besar tegangan yang dibutuhkan untuk dapat menggerakkan
elektron-elektron tersebut sama dengan potensial pada medan
listriknya.
• Beda potensial tersebut dinamakan barrier potential.

32. • Tegangan barrier pada junction pn bergantung pada beberapa
faktor, yaitu jenis material semikonduktor, jumlah doping, dan
temperatur.
• Tipikal tegangan barrier adalah 0,7 V untuk silikon dan 0,3 V untuk
germanium pada temperatur 25 0C.

33. Bias Dioda
• Pembahasan sebelumnya: tidak ada elektron yang bergerak
melintasi junction pn pada kondisi seimbang.
• Definisi Bias secara umum: penggunaan tegangan dc untuk
memperoleh kerja tertentu pada sebuah komponen elektronika.
• Terdapat dua bias:
1. forward bias
2. reverse bias

34. 1. forward bias
• Forward bias adalah kondisi yang meyebabkan arus mengalir
melalui junction pn dioda.

35. 2. reverse bias
• Reverse bias adalah kondisi yang meyebabkan arus tidak mengalir
melalui junction pn dioda.

36. Karakteristik Tegangan-Arus Dioda
• Karakteristik V-I untuk forward bias.

37. Karakteristik Tegangan-Arus Dioda
• Karakteristik V-I untuk forward bias.
Titik a; kondisi zero-bias
Titik b; kondisi tegangan
forward kurang dari tegangan
barrier 0,7 V.
Titik c; kondisi tegangan
forward aproksimasi sama
dengan tegangan barrier.

38. Karakteristik Tegangan-Arus Dioda
• Karakteristik V-I untuk reverse bias.
Bila tegangan reverse diberikan
pada dioda, hanya arus reverse IR
yang sangat kecil mengalir
(diabaikan)
Bila tegangan bias dinaikkan, hingga
mencapai suatu nilai dimana disebut
VBR , arus reverse akan naik secara
cepat.

39. Karakteristik Tegangan-Arus Dioda
• Kurva karakteristik komplit.

40. Karakteristik Tegangan-Arus Dioda
• Efek temperatur

41. Model Dioda
• Strutur dioda dan simbol

42. Hubungan forward bias
• Doida di bias maju bila terminal positif tegangan sumber
dihubungkan ke anoda dan terminal negatif dihubungkan ke
katoda.

43. Hubungan reverse bias
• Doida di bias mudur bila terminal positif tegangan sumber
dihubungkan ke katoda dan terminal negatif dihubungkan ke
anoda.

44. Model Dioda Ideal
• Model ideal sebuah dioda adalah sebagai saklar sederhana. Bila
dioda di bias maju, maka dioda berkerja sebagai saklar tertutup
(on). Bila dioda di bias mundur, maka dioda sebagai saklar terbuka
(off). Potensial barrier, resistansi dinamik, dan arus reverse
diabaikan.

45. Model dioda praktis
• Model praktis memasukkan tegangan barrier dalam model saklar
ideal.

46. Model dioda komplit
• Model dioda komplit: memasukkan pengaruh tegangan barrier,
resistansi dinamis (r’d) dan resistansi reverse internal (r’R)

47. Tipikal Dioda

48. SEKIAN