Gejala Transport dalam Semikonduktor mobilitas & konduktivitas

Gejala Transport dalam Semikonduktor

MOBILITAS & KONDUKTIVITAS

• Bagian yang gelap menyatakan bagian yang mempunyai muatan total positif, berasal dari inti atom dan elektron bagian dalam yang terikat kuat.

• Titik hitam menggambarkan elektron luar atau elektron valensi dari atom.

• Bayangkan suatu logam dapat dibayangkan sebagai suatu ruang yang mengandung kisi-kisi ion berat, yang periodik dalam tiga dimensi, yang saling mengikat dengan kuat dan diantaranya diisi oleh kawanan elektron yang bergerak kian kemari.

TEORI GAS ELEKTRON DARI LOGAM

• TEORI GAS ELEKTRON DARI LOGAM

• Elektron terus menerus bergerak yang arahnya selalu berubah-ubah setelah mengalami tumbukan dengan ion yang berat (yang hampir selalu diam).
• Jarak rata-rata antara dua tumbukan disebut jarak bebas rata-rata.
• Gerak elektron yang acak mengakibatkan pada suatu saat elektron yang bergerak melalui suatu satuan luas dalam logam dalam dua arah yang berlawanan rata-rata sama banyaknya. Oleh karena itu arus rata-ratanya sama dengan nol.

Kecepatan Hanyut V

• Kecepatan Hanyut V

• Arahnya berlawanan dengan arah medan listrik.
• Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a = q / m adalah percepatan.
• Kecepatan V berbanding lurus dengan .
•  (m kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.

Rapat Arus

• Rapat Arus

• Arus dalam ampere :
• Rapat arus :
• J dalam ampere meter kuadrat dan A adalah luas penampang dari konduktor dalam meter kuadrat
• LA adalah volume yang mengandung N elektron, sehingga :
• n adalah rapat elektron (dalam elektron per meter kubik)
• adalah rapat muatan dalam coulomb meter kubik dan v dalam meter per detik.

• Konduktivitas

ELEKTRON & HOLE DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

• Konduktivitas berbanding lurus dengan konsentrasi n dari elektron bebas.

• Konduktor yang baik n = elektron/meter kubik

• Isolator n =

• Semikonduktor harga n diantara konduktor dan isolator

Ikatan Kovalen

Hole

• Pada temperatur sangat rendah kristal berperilaku sebagai isolator.

• Pada temperatur kamar, beberapa dari ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal dan konduksi dimungkinkan.

• Energi Eg yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen :

• Germanium : 0.72 eV
• Silikon : 1.1 eV

• Ikatan kovalen yang tidak lengkap disebut lubang.

Dalam semikonduktor intrinsik (murni) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas.

• Dalam semikonduktor intrinsik (murni) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas.

• Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi (rapat) elektron n, sehingga :

• disebut konsentrasi atau rapat intrinsik

TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR

• Apabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk semikonduktor yang takmurni, yang ekstrinsik.

• Donor-donor

• Apabila atom tak murnian mempunyai lima elektron valensi, maka atom takmurnian akan menggeser beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal.
• Empat dari lima elektron valensi akan mengisi ikatan kovalen dan yang kelima akan terlepas dan dapat digunakan sebagai pembawa arus.
• Energi yang diperlukan untuk melepas elektron adalah :
• Ge = 0.1 eV
• Si = 0.05 eV
• Contoh : antimurnian (Sb), Fosfor dan Arsenikum
• Takmurnian ini memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, dikenal sebagai donor atau tipe-n.

Akseptor

• Akseptor

• Apabila suatu takmurnian trivalen ditambahkan pada semikonduktor intrinsik hanya tiga ikatan kovalen yang diisi.
• Kekosongan yang terjada pada ikatan keempat membentuk lubang.
• Takmurnian serupa menyediakan pembawa positif oleh karen takmurnian tersebut menciptakan lubang dan dapat menerima elektron, dikenal sebagai akseptor atau tipe-p.

• Hukum Aksi-Massa

• Penambahan takmurnian tipe-n, mengurangi banyaknya lubang.
• Penambahan takmurnian tipe-p, menurunkan rapat elektron bebas.
• “Perkalian dari rapat muatan negatif yang bebas dan muatan yang positif, merupakan suatu tetapan dan tidak bergantung pada banyaknya donor dan akseptor”

• Dalam semikonduktor tipe-n, elektron2 disebut pembawa mayoritas sedangkan lubang adalah pembawa minoritas.

• Dalam semikonduktro tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

RAPAT MUATAN DALAM SEMIKONDUKTOR

• Rapat muatan positif =

• Rapat muatan negatif =

• Pada semikonduktor netral, besarnya muatan positif sama dengan besar muatan negatif :

• Pada semikonduktor tipe n, banyaknya elektron lebih besar dari banyaknya lubang (n >> p) sehingga :

• Rapat Lubang dalam semikonduktor tipe-n adalah :

• Untuk semikonduktor tipe-p adalah :

SIFAT ELEKTRIK

• Sifat Listrik dari Logam dan Semikonduktor :

• Logam :
• Bersifat unipolar, menghantar arus hanya dengan muatan-muatan (elektron-elektron) yang menpunyai satu tanda saja.
• Semikonduktor :
• Bersifat bipolar, mengandung pembawa-pembawa arus dengan muatan yang berlawanan.

PENENTUAN KONSENTRASI PEMBAWA

• Dari teori tentang Hukum Aksi-Massa maka didapat :

• “Bahwa dengan memberi takmurnian pada semikonduktor intrinsik tidak hanya menaikkan konduktivitas, tapi dapat juga digunakan utk menghasilkan semikonduktor dengna pembawa listrik, sebagian terbedar lubang atau sebagian terbesar elektron “

• Dalam semikonduktor tipe-n, elektron-elektron disebut pembawa mayoritas dan lubang adalah pembawa minoritas.

• Dalam semikonduktor tipe-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa minoritas.

PERSAMAAN ALIRAN ARUS & PERSAMAAN POISSON

• Persamaan Aliran arus :

• Persamaan Poisson :

•  adalah permitivitas.