LAPORAN VIRTUAL LAB
SEMIKONDUKTOR
Tugas Metode Eksperimen Fisika
KELOMPOK 5
Nama : Hesty Muhannah(A1C312007)
Dosen Pengampu : Haerul
Pathoni, S.Pd, MP.Fis
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Fisika Reguler Universitas Jambi
I. PENDAHULUAN
A.LATAR
BELAKANG
Ilmu pengetahuan dan
teknologi yang semakin berkembang saat ini, telah banyak sekali
memunculkan penemuan – penemuan baru
berupa alat dan barang untuk mempermudah kita dalam melakukan sesuatu,
contohnya saja dalam kehidupan sehari-hari kita tidak terlepas dari
peralatan elaktronik yang kita gunakan
untuk mempermudah kita dalam melakukan segala hal. Peralatan elektronika
tersebut merupakan suatu rangkaian terdiri dari beberapa macam/jenis
komponen-komponen elektronika yang memiliki fungsi dan karakteristrik
masing-masing.
Bahan semipenghantar
mempunyai sifat-sifat di antara bahan konduktor/penghantar dan isolator.
Semipenghantar mempunyai sifat yang unik dalam menghantarkan atau mengalirkan
arus listrik. Beberapa tipe semipenghantar pembawa arus listriknya bukan
elektron-elektronnya melainkan hole (pembawa arus pada konduktor adalah
elektron-elektron). Pada suhu yang tinggi semipenghantar membentuk pembawa
(carrier) baru yang disebut pembawa minoritas (minority carrier).
Silikon dan germanium adalah bahan yang biasanya dipakai sebagai bahan semi konduktor. Kedua bahan tersebut terdapat dalam kolom ke empat dari sistem periodik unsur-unsur kimia. Pada material ini, lapisan terluar elektron-elektron yang sering juga disebut lapisan valensi (menurut model atom Bohr), terdiri dari empat elektron yang memungkinkan suatu hablur atau kristal murni untuk membentuk ikatan-ikatan kovalen yang kuat.
Pada struktur atom
silikon murni terdapat tiga lapisan yaitu lapisan dalam mempunyai dua elektron,
lapisan tengah mempunyai delapan elektron, dan lapisan luar mempunyai empat
elektron. Sedangkan pada struktur atom germanium murni, terdapat empat lapisan
masing-masing mengandung dua, delapan, delapan belas, dan empat elektron.
Ikatan kovalen yang terjadi
adalah sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar
untuk membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Dapat dikatakan bahwa pada
temperatur kamar, bahan semi konduktor murni mempunyai tahanan listrik yang
sangat tinggi, oleh karena itu merupakan bahan isolator. Tahanan jenis bahan
semi konduktor akan turun dengan naiknya temperatur.
Untuk mempersiapkan
bahan semi konduktor murni, misalnya digunakan sebagai transistor atau
penyearah (rectifier), perlu dilakukan rekayasa (engineering)
sehingga energi dari elektron-elektron pada lapisan valensi bertambah.
Hal ini dapat dilakukan dengan suatu proses yang biasanya disebut doping,
dimana bahan semi konduktor dicampur dengan bahan lain.
Agar lebih jelas lagi
tentang semikonduktor maka dapat dilihat dari virtual lab semi konduktor
berikut ini.
B.TUJUAN
Virtual lab
atau simulasi ini bertujuan sebagai berikut :
1. Mengetahui pengertian
semikonduktor.
2. Mengetahui
karakteristik semikonduktor.
3. Mengetahui Macam-macam
bahan semi konduktor.
4. Mengetahui
cara kerja bahan semi konduktor pada dioda
II.LANDASAN
TEORI
Semi konduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat
elektronika, digunakan misalnya untuk membuat dioda, transistor, dan
IC(integrated circuit). Yang disebut terakhir merupakan komponen aktif yang
berisi banyak transistor dan resistor dalam sekeping kristal semikonduktor
dengan ukuran di bawah 1 mm2. Pada umumnya semikonduktor bersifat
sebagai isolator pada suhu dekat 0oC dan pada suhu kamar bersifat
sebagai konduktor.Semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda dan
transistor terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur
kelompok V atau kelompok III. Semikonduktor yang dihasilkan disebut
semikonduktor ekstrinsik.(Sutrisno,1986:71)
Macam-macam
bahan semi konduktor
- Semi konduktor
Intrinsik (bahan semi konduktor murni)
Jenis
bahan semi konduktor intrinsik umumnya mempunyai valensi empat dan ikatan dalam
kristalnya adalah ikatan kovalen, hal ini dapat dimengerti karena elektron
valensi pada kulit terluar dipakai bersama-sama.
Pada
bahan semi konduktor intrinsik, hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh
mengalirnya elektron karena panas. Apabila temperatur naik, maka akan
terjadi random thermissehingga akan ada elektron yang terbebas dari
ikatan atomnya (elektron pada kulit terluarnya). Dengan terlepasnya elektron
ini, maka terjadilah kekosongan elektron yang sering disebut “hole”.
Hole ini mempunyai sifat seperti partikel-pertikel yang dapat menghantarkan
arus listrik karena dapat berpindah-pindah, dan dianggap sebagai partikel yang
bermuatan positif sebesar muatan elektron. Gerakan hole ini
menyebabkan gerakan elektron yang terikat.
Sifat-sifat
semi konduktor intrinsik:
Jumlah
elektron bebas sama dengan hole
Hantaran
arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole
Arah
pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E dan berlawanan arah
dengan pergerakan elektron
Umur
rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur rata-rata dari
sepasang elektron-hole (electron-hole pair) adalah jumlah waktu saat
tertutupnya pasangan elektron-hole sampai bertemunya elektron bebas dengan
hole. Adapun yang mengisi hole pada umumnya adalah elektron yang terikat
dilapisan sebelah bawahnya.
2. Semi
konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni)
Jenis
bahan semi konduktor ekstrinsik didapat dengan jalan mengadakan doping antara
bahan semi konduktor intrinsik dengan bahan yang valensinya berada dibawah atau
di atas bahan intrinsik tersebut. Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi
konduktor ekstrinsik, yaitu :
N-type
semi konduktor
P-type
semi konduktor
N-type
semi konduktor
Apabila
atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi empat didoping dengan atom lain
yang valensinya lebih tinggi (misalnya valensi 5), maka molekul bahan campuran
tersebut akan mengalami kelebihan satu elektron, selanjutnya elektron ini
merupakan elektron bebas (lihat gambar -3 diatas).
Pendopingan
dapat dilakukan melalui proses pemanasan, sehingga akan terjadi penyesuaian
diri dari dua macam atom yang berbeda valensinya dalam membentuk suatu
molekul/kristal. Atom yang menyebabkan terjadinya elektron bebas dalam satu
susunan kristal atom disebut atom donor, dan jenis bahan macam ini
dinamakan N-type semi konduktor.
Di dalam
tubuh N-type semi konduktor dapat diperoleh dua pembawa muatan yaitu :
1. Elektron
sebagai majority carrier
2. Hole
sebagai minority carrier
Dengan adanya kelebihan
elektron, maka akan memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah
ber-eksitasi ke pita valensi. Jadi pada N-type semi
konduktor akan terjadi level energi baru yang disebut energy level
donor (Ed), dimana pada level ini berisi penuh dengan elektron,
sehingga apabila ada elektron berpindah ke pita valensi, maka elekatron ini
akan meninggalkan muatan positif pada level donor. Akibatnya pada atom
bervalensi 5 terkumpul muatan positif
P-type
semi konduktor
Apabila
atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi 4, didoping dengan atom yang
bervalensi 3, maka pada pencampuran ini akan terjadi kekurangan elektron atau
akan terdapat lubang (hole). Seperti halnya pada N-type semi konduktor,
maka doping ini dilakukan dengan pemanasan, sehingga setiap atom dapat
menyesuaikan dirinya dengan baik dan akan membentuk kristal.
Dengan
adanya hole (kekurangan elektron), maka hole ini akan menarik elektron dari
atom yang berdekatan dan selanjutnya atom yang telah kehilangan elektron
tersebut akan menjadi lubang. Dengan demikian maka hole dapat berganti-ganti, seakan-akan
merupakan muatan listrik positif yang sedang bergerak.
Atom yang
menyebabkan timbulnya hole dalam susunan kristal disebut atom acceptor,
dan jenis bahannya dinamakan P-type semi konduktor. Ada dua pembawa muatan pada
P-type semi konduktor , yaitu:
1. Hole
sebagai majority carrier
2. Elektron
sebagai minority carrier
III. Bahan-bahan
semi konduktor
Bahan-bahan
semi konduktor yang sering digunakan adalah Germanium dan Silikon. Sifat-sifat
bahan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
A. Germanium
Germanium
merupakan salah satu bahan semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium
diperoleh sebagai serbuk berwarna kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan
mereduksi germanium oksida. Selain itu juga dapat diperoleh dari pemurnian
Kadmium dan seng.
Germanium
adalah bahan semi konduktor yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti
karbon atau silikon. Spesifikasi germanium adalah sebagai berikut:
Daya
hantar
panas
: 0,14 Cal/cm dt °C
Kapasitas
panas
: 0,08 Cal/gr °C
Koefisien
muai panjang (0-100°C) : 6 x 
Titik
lebur
: 936°C
Permitivitas
: 16 C2/N m2
Tahanan
jenis listrik pada
20°C
: 0,47 Ω m
Pada
temperatur yang rendah, bahan semi konduktor ini bersifat sebagai isolator,
kemudian pada suhu yang cukup tinggi, bahan ini berubah sifatnya menjadi bahan
penghantar yang baik. Germanium merupakan bahan yang sangat luas pemakaianya
didalam pembuatan rectifier, transistor, dan peralatan semi konduktor yang
lain.
Germanium
yang dicampur dengan Arsen (As) disebut N-Germanium. N artinya negatif, karena
pada temperatur kamar, germanium tipe N ini mempunyai banyak elektron bebas
yang bermuatan negatif. Arsen yang memberikan elektron disebut donor. Germanium
yang dicampur dengan Indium (In) yang mempunyai 3 elektron valensi disebut
P-Germanium. P artinya positif, dan menunjukkan bahwa banyak sekali hole yang
bermuatan positif yang ada dalam Germanium tipe P ini.
- Silikon
Silikon
(Si) tidak ditemukan dalam bentuk aslinya, akan tetapi ditemukan dalam bentuk
silika yang direduksi dengan kokas dan kemudian dimurnikan dengan converter,
menghasilkan SiO
atau SiHCl
, atau dengan proses didestilasi
berulang-ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH.
atau SiHCl, atau dengan proses didestilasi
berulang-ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH.
Sifat-sifat
silikon :
Mempunyai
mobilitas yang tinggi
Konstanta
dielektriknya kecil
Konduktivitas
termis yang besar
Disipasi
panas yang baik.
Impurity
ionization energy yang sangat kecil
Dari
sifat-sifat silikon tersebut diatas, maka silikon banyak digunakan sebagai
bahan semi konduktor, misalnya sebagai dioda rectifier, thyristor (SCR), dan
lain-lain. Senyawa silikon, SiO (quartz), sering dipergunakan pada
alat-alat optik dengan index bias 1,54.
(quartz), sering dipergunakan pada
alat-alat optik dengan index bias 1,54.
.
Dioda
sebagai semikonduktor
Jika dua
tipe bahan semi konduktor yaitu type-P dan type-N digabung menjadi satu, maka
akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai
dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan
disambung begitu saja, melainkan dari satu bahan semi konduktor diberi doping (impurity
material) yang berbeda.
Jika diberi tegangan
maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N,
elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan
elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse
bias), maka tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole
di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Hal itu
menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai
untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).
(Anonim,2014)
III. PEMBAHASAN
Pada virtual
lab atau simulasi Phet kali ini menjelaskan tentang semikonduktor.Bentuk
simulasi nya dapat dilihat sebagai berikut .
Semi
konduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika,
digunakan misalnya untuk membuat dioda, transistor, dan IC(integrated circuit). Bahan semipenghantar
mempunyai sifat-sifat di antara bahan konduktor/penghantar dan isolator.
Semipenghantar mempunyai sifat yang unik dalam menghantarkan atau mengalirkan
arus listrik. Beberapa tipe semipenghantar pembawa arus listriknya bukan
elektron-elektronnya melainkan hole (pembawa arus pada konduktor adalah
elektron-elektron). Pada suhu yang tinggi semipenghantar membentuk pembawa
(carrier) baru yang disebut pembawa minoritas (minority carrier).
Pertama-tama
kami mebuat simulasi sebagai berikut untuk membedakan yang mana dopan positif
dan dopan negatif
.
Dopan positif dopan
negatif
Dopan
positif dan dopan negatif yang tidak di gabungkan merupakan termasuk ke dalam
semikonduktor intrinsik. Pada bahan semi
konduktor intrinsik, hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh mengalirnya
elektron karena panas. Apabila temperatur naik, maka akan terjadi random
thermis sehingga akan ada elektron yang terbebas dari ikatan atomnya
(elektron pada kulit terluarnya). Dengan terlepasnya elektron ini, maka
terjadilah kekosongan elektron yang sering disebut “hole”. Hole ini
mempunyai sifat seperti partikel-pertikel yang dapat menghantarkan arus listrik
karena dapat berpindah-pindah, dan dianggap sebagai partikel yang bermuatan
positif sebesar muatan elektron. Gerakan hole ini menyebabkan
gerakan elektron yang terikat. Dapat dilihat pada gambar diatas terdapat hole
yang trejadi karena pelepasan elektron. Dapat dilihat juga pada dopan positif
tingkat energinya rendah dibanding dopan negatif.
Selanjutnya kami
membuat simulasi tentang dioda semikonduktor sebagai berikut ;
Gambar1 gambar
2
Untuk gambar 1 terjadi
tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari
sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan
elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya pada gambar 2 terjadi tegangan
balik (reverse bias), maka tidak ada elektron yang dapat mengalir dari
sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih
tinggi. Hal itu menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah
saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).
Pada simulasi ini
tegangan sangat berpengaruh pada pergerakan elektron. Semakin jauh tegangan
dari angka 0 baik itu negatif maupun positif, pergerakan elektron semakin
kencang atau kecepatannya semakin bertambah. Pada percobaan kali ini saya
mengamati pergerakan elektron dari tegangan sebesar -2,5 volt sampai dengan -4
volt.
III. KESIMPULAN
Setelah diamati simulasi tentang “Semi Konduktor” ini maka dapat di tarik kesimpulan sebagai berikut :
·
Semi konduktor
adalah bahan dasar semipenghantar mempunyai sifat-sifat di antara bahan konduktor/penghantar
dan isolator. Semipenghantar mempunyai sifat yang unik dalam menghantarkan atau
mengalirkan arus listrik.
·
Pada temperatur kamar, bahan semi konduktor murni
mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi, oleh karena itu merupakan bahan
isolator. Tahanan jenis bahan semi konduktor akan turun dengan naiknya
temperatur.
·
Semi konduktor dibagi
menjadi :
-
Semi konduktor
intrinsik
-
Semi konduktor
ekstrinsik , Tipe N dan Tipe P
·
Jika diberi tegangan
maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N,
elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan
elektron (hole) di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse
bias), maka tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole
di sisi P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Hal itu
menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai
untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).
DAFTAR PUSTAKA
·
Sutrisno.1986.
Elektronika Dasar. Bandung:ITB
LAMPIRAN
Bentuk elektron yang mengalir pada tegangan -2,5 volt
Bentuk elektron yang mengalir pada tegangan -4 volt
Pada simulasi ini
tegangan sangat berpengaruh pada pergerakan elektron. Semakin jauh tegangan
dari angka 0 baik itu negatif maupun positif, pergerakan elektron semakin
kencang atau kecepatannya semakin bertambah. Pada percobaan kali ini saya
mengamati pergerakan elektron dari tegangan sebesar -2,5 volt sampai dengan -4
volt.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar