Rocky Alfanz, ST., M.Sc

To understand this presentation, you should have the following prior knowledge:• Draw the structure of an atom, including

electrons, protons, and neutrons.• Define resistance and conductance.• Label an electronic schematic, indicating

current flow.• Define Ohm’s and Kirchhoff’s laws.• Describe the characteristics of DC and AC (sine

wave) voltages.

Upon completion of viewing this presentation, you should be able to:• Define conductor, insulator and semiconductor,

and state the resistance or conductance of each.• Name at least three semiconductor materials and

state the most widely used.• Name the basic structure of material and explain

how it is formed with atoms.• Define doping and name the two types of

semiconductor material formed with doping.• Name the current carriers in N and P-type material.• Explain how current flows in semiconductor

material.

The goal of electronic materials is to generate and control the flow of an electrical current.

Electronic materials include:1. Conductors: have low resistance

which allows electrical current flow2. Insulators: have high resistance

which suppresses electrical current flow

3. Semiconductors: can allow or suppress electrical current flow

Good conductors have low resistance so electrons flow through them with ease.

Best element conductors include:• Copper, silver, gold, aluminum, & nickel

Alloys are also good conductors:• Brass & steel

Good conductors can also be liquid:• Salt water

The atomic structure of good conductors usually includes only one electron in their outer shell. • It is called a valence

electron. • It is easily striped from

the atom, producing current flow.

Copper Atom

Insulators have a high resistance so current does not flow in them.

Good insulators include:• Glass, ceramic, plastics, & wood

Most insulators are compounds of several elements.

The atoms are tightly bound to one another so electrons are difficult to strip away for current flow.

Semiconductors are materials that essentially can be conditioned to act as good conductors, or good insulators, or any thing in between.

Common elements such as carbon, silicon, and germanium are semiconductors.

Silicon is the best and most widely used semiconductor.

The main characteristic of a semiconductor element is that it has four electrons in its outer or valence orbit.

The unique capability of semiconductor atoms is their ability to link together to form a physical structure called a crystal lattice.

The atoms link together with one another sharing their outer electrons.

These links are called covalent bonds.

2D Crystal Lattice Structure

If the material is pure semiconductor material like silicon, the crystal lattice structure forms an excellent insulator since all the atoms are bound to one another and are not free for current flow.

Good insulating semiconductor material is referred to as intrinsic.

Since the outer valence electrons of each atom are tightly bound together with one another, the electrons are difficult to dislodge for current flow.

Silicon in this form is a great insulator. Semiconductor material is often used as an

insulator.

To make the semiconductor conduct electricity, other atoms called impurities must be added.

“Impurities” are different elements. This process is called doping.

An impurity, or element like arsenic, has 5 valence electrons.

Adding arsenic (doping) will allow four of the arsenic valence electrons to bond with the neighboring silicon atoms.

The one electron left over for each arsenic atom becomes available to conduct current flow.

If you use lots of arsenic atoms for doping, there will be lots of extra electrons so the resistance of the material will be low and current will flow freely.

If you use only a few boron atoms, there will be fewer free electrons so the resistance will be high and less current will flow.

By controlling the doping amount, virtually any resistance can be achieved.

You can also dope a semiconductor material with an atom such as boron that has only 3 valence electrons.

The 3 electrons in the outer orbit do form covalent bonds with its neighboring semiconductor atoms as before. But one electron is missing from the bond.

This place where a fourth electron should be is referred to as a hole.

The hole assumes a positive charge so it can attract electrons from some other source.

Holes become a type of current carrier like the electron to support current flow.

The silicon doped with extra electrons is called an “N type” semiconductor. • “N” is for negative, which is the charge of

an electron. Silicon doped with material missing

electrons that produce locations called holes is called “P type” semiconductor. • “P” is for positive, which is the charge of a

hole.

The DC voltage source has a positive terminal that attracts the free electrons in the semiconductor and pulls them away from their atoms leaving the atoms charged positively.

Electrons from the negative terminal of the supply enter the semiconductor material and are attracted by the positive charge of the atoms missing one of their electrons.

Current (electrons) flows from the positive terminal to the negative terminal.

Electrons from the negative supply terminal are attracted to the positive holes and fill them.

The positive terminal of the supply pulls the electrons from the holes leaving the holes to attract more electrons.

Current (electrons) flows from the negative terminal to the positive terminal.

Inside the semiconductor current flow is actually by the movement of the holes from positive to negative.

In its pure state, semiconductor material is an excellent insulator.

The commonly used semiconductor material is silicon.

Semiconductor materials can be doped with other atoms to add or subtract electrons.

An N-type semiconductor material has extra electrons.

A P-type semiconductor material has a shortage of electrons with vacancies called holes.

The heavier the doping, the greater the conductivity or the lower the resistance.

By controlling the doping of silicon the semiconductor material can be made as conductive as desired.

Elektron bebas dan lubang Temperatur atau energy panas menyebabkan atom-atom silikon dari

kristal bergetar, makin tinggi temperatur maka makin kuat getaran mekanik atom-atom tersebut.

Getaran yang acak dari atom-atom silikon kadang dapat mengeluarkan sebuah elektron dari lintasan valensinya.(gambar 1-7).

Elektron yang dilepaskan memperoleh cukup tinggi untuk memasuki lintasan yang lebih tinggi.

Dalam lintasan yang lebih tinggi ini elektron bebas itu dapat bergerak bebas , gaya tarikan inti dapat diabaikan.

Elektron bebas meninggalkan kekosongan dalam lintasan valensi yang disebut Lubang (Hole)

Hole ini diperilaku sebagai suatu muatan positif (+) dalam arti lubang tersebut dapat menarik dan menangkap setiap elektron yang ada disekitarnya.

A presentation of eSyst.org

Dalam sebuah kristal silikon murni elektron bebas dan lubang yang dibentuk enery thermal (panas) sama banyaknya.

Elektron bebas bergerak secara acak dalam kristal, terkadang sebuah elektron bebas akan mendekati sebuah lubang mengalami tarikan olehnya dan memasuki lubang.

Penggabungan elektron dengan lubang tersebut disebut dengan Rekombinasi.

Waktu rata-rata antara pembentukan dan menghilangnya (karena rekombinasi) elektron bebas tersebut disebut Umur.

Umur elektron bebas ini berkisar dari beberapa nano detik (ns) sampai beberapa mikro detik, tergantung kepada kesempurnaan dari struktur kristal dan faktor-faktor lainnya.

Setiap saat, didalam kristal silikon berlangsung peristiwa-peritiwa sebagai berikut :

1. Beberapa elektron bebas dan lubang dibentuk oleh energi termal

2. Elektron bebas dan lubang lainnya ber-rekombinasi

3. Beberapa elektron bebas dan lubang berada diantara kedua keadaan tersebut diatas; mereka telah dibentuk tapi mengalami rekombinasi

Atom silikon bergabung membentuk padatan, lintasan sebuah elektron dipengaruhi oleh atom-atom yang berada didekatnya dan bergabung pada atom yang semula.

Muatan muatan yang paling dekat mempunyai pengaruh yang paling besar, akan tetapi muatan yang jatuh pun akan sedikit berpengaruh pada lintasan sebuah elektron.

Tingkatan energi masing –masing elektron dalam batas –batas tertentu oleh setiap muatan kristal. Oleh karena masing-masing elektron yang mempunyai muatan lingkungan yang sama.

Hal ini menyatakan bahwa dalam kristal tak ada dua elektron yang mempunyai tingkatan energi yang sama(dalam fisika quantum, ini dikenal sebagai prinsip larangan Pauli)

Gambar 1-8a

Tingkatan-tingkatan energi silikon pada temperatur nol mutlak.

Semua elektron yang bergerak dalam lintasan yang pertama mempunyai tingkatan tingkatan energi yang sedikit berbeda, karena tidak ada dua elektron pun yang mempunyai muatan lingkungan elektron yang tepat sama.

Lintasa pertama terdapat milyaran elektron. Tingkatan energi yang sedikit berbeda membentuk suatu gugusan atau pita.

Pada lintasan kedua membentuk pita energi yang kedua dan selanjutnya(liat gambar)

Semua elektron dari lintasan yang ketiga dinama kan pita konduksi.

Pita ini merupakan gugusan dari lintasan-lintasan yang diperkenankan yang berada diatas pita valensi (pita ini adalah pita dari elektron-elektron bebas

Pita energi yang pertama digambarkan hitam, sebagai suatu cara untuk menandai pita yang penuh atau jenuh. Yaitu semua pita-pita yang diperkenankan diisi sudah terisikan.

Apabila sebagian dari sebuah pita tidak dihitamkan itu berarti beberapa lintasan masih kosong, setara dengan tingkatan-tingkatan energi yang kosong.

Pada temperatur nol mutlak, dalam kristal tak ada elektron bebas.

Ruang yang kosong antara pita-pita energi disebut pita konduksi(forbidden gaps). Karena tingkatan –tingkatan energi tidak stabil.

Apabila temperatur ambien lebih besar dari nol mutlak, energi termal yang masuk mematahkan beberapa ikatan kovalen.

Elektron-elektron valensi ini masuk kedalam pita konduksi (liat gambar 1-8b)

Dengan jalan ini pita konduksi diisi elektron yang terbatas jumlahnya. Elektron –elektron ini bergerak dalam lintasan yang besar; sehingga elektron tersebut terikat lemah oleh atom atom silikon.

Berarti bahwa elektron tersebut dapat dengan mudah pindah dari satu ato keatom yang berikutnya.

Makin tinggi temperatur ambien maka makin banyak elektron yang dimasukkan kedalam pita konduksi.

Suatu semikonduktor intrinsik adalah suatu semikonduktor murni.

Misal : sebuah kristal atom silikon adalah suatu semikonduktor intrinsik, dalam hal ini bagaimana sebuah kristal silikon intrinsik dapat menghantarkan arus.

Gambar 1-9

Misal : Kristal silikon intrinsik yang permukaan ujung-ujungnya dilapisi logam. Sumber tegangan luar menghasilkan medan listrik diantara kedua ujung kristal tersebut.

Adakah arus yang mengalir….?

Pada keadaan ini : hal ini tergantung pada temperatur. Apabila temperatur ambien nol mutlak, masing masing atom silikon dikelilingi oleh delapan elektron-elektron valensi ini terkait erat dan tidak dapat minggalkan atom.

Oleh karena itu, walaupun ada tegangan yang dipasang., kristal silikon akan berperilaku sebagai Isolator, oleh karena disebabkan tidak ada elektron bebas yang dapat menghasilkan arus.

Akan tetapi apabila temperatur naik diatas nol mutlak, atom atom mulai bergetar, demikian sehingga elektron valensi dapat memperoleh energi cukup untuk melepaskan diri dari ikatan dan masuk kedalam pita konduksi (karena adanya elektron bebas), akan timbul arus yang kecil.

Makin tinggi temperatur tersebut, makin besar arusnya. Pada temperatur (25 derajat ) arus tersebut sangat kecil dibandingkan dengan sebuah konduktor. Oleh karena itu kristal silikon disebut dengan material semikonduktor.

Pada gambar (1-9) Arus elektron - Energi termal menghasilkan sebuah elektron bebas dan

lubang- Elektron bebas berada pada lintasan terbesar - Elektron akan bergerak (pergerakan akan pindah kekanan)- Oleh karena itu akan terjadi aliran dari elektron-elektron dari

kutub negatif kekutub positif.

Aliran lubang - Konduktor hanya mempunyai elektron bebas - Tidak memiliki lubang (hole) pada konduktor - Muatan-muatan yang mengalir hanya elektron-elektron bebas - Pada bahan semikonduktor memiliki elektron-elektron dan

lubang-lubang

Diatas nol mutlak - Energi termal mendorong elektron dari pita valensi ke pita

konduksi- Menghasilkan elektron pada pita konduksi- Sebuah lubang pada pita valensi - Elektron bebas pada pita konduksi bergerak kekanan- Lubang dalam pita valensi bergerak kekiri- Termal menghasilkan banyak pasangan elektron – lubang

Pokok-pokok yang perlu diingat :- Sebuah semikonduktor berbeda dengan konduktor - Semikonduktor mempunyai jejak atomik yang dapat dilalui

aliran muatan- Semikonduktor biasa yang diikuti oleh elektron dalam pita

konduksi - Semikonduktor mempunyai jejak yang tidak biasa yang

diikuti oleh lubang dalam pita valensi- Kehadiran lubang-lubang ini dalam semikonduktor

memungkinkan pembuatan dari dioda-dioda, transistor transistor, rangkaian terpadu dan sebagai jenis piranti (devices) zat pada (semikonduktor)

Bahan Semikonduktor dimana untuk mendapatkan arus yang jumlah elektronnya diperbesar.

- Sama dengan ketidak murnian - Pemberian ketidak murnian ini disebut (doping)

Artinya : membubuhkan atau menambahkan atom –atom takmurnian pada bahan semikonduktor intrinsik (murni) untuk mengubah konduktivitas listriknya.

Tujuan: Untuk menaikan suatu konduktivitas

- - kristal murni dilelehkan - - terjadi pemutusan ikatan-ikatan valensi- - atom- atom yang bervalensi lima (atom donor) - contoh : arsenikum, antimonium dan fosfor

- silikon yang telah diberi tak murnian bervalensi disebut semikonduktor tipe-N dimana menunjukan negatif (-)

Oleh karena itu banyaknya elektron jauh lebih besar dari pada banyaknya lubang dalam semikonduktor tipe-N, elektron bebas sering sekali juga disebut pembawa majoritas dan lubang-lubang tersebut pembawa minoritas.

Bagaimana cara penambahan tak murnian untuk meningkatan kelebihan lubang dalam kristal lubang.

- Dengan membubuhkan atau menambahkan tak murnian yang mempunyai valensi tiga

- Yaitu mempunya elektron valensinya tiga - Contoh : almunium, boron, dan galium- Seperti gambar (1-12a) Oleh karena itu atom aluminium semula mempunyai tiga

elektron valensi, masing-masing tetangga bersama-sama memiliki elektron-elektron tersebut dan menyumbang sebuah elektron, secara keseluruhan dalam lintasan valensi hanya ada tujuh elektron. Sebuah atom bervalensi tiga disebut atom akseptor

- Sebelum diberi tak murnian, oleh pabrik, semikonduktor tersebut harus dihasilnya sebagai kristal yang murni.

- Konduktivitas semikonduktor dapat dikontrol dengan teliti secara historis kristal germanium yangmurni dapat lebih mudah dibuat dari pada kristal silikon murni.

Oleh karena itu transistor-transistor yang pertama dibuat dari bahan germanium.

Dalam silikon tipe-N elektron bebas merupakan mayoritas, dalam silikon tipe-P lubang merupakan pembawa mayoritas

- Semiconductor device :- Dioda (memiliki dua daerah yang diberi tak murnian) - Tipe N dan tipe P- Merupakan zat padat (solid state) yang paling dasar- Pembawa mayoritas untuk mengalir dengan mudah dalam satu

arah, (tak berlawanan arah)- Pengubah AC menjadi DC

- Transistor (memiliki tiga daerah yang diberi tak murnian. - Alat dasar ini dapat memperkuat(menaikan) - Sebagai switch elektronik (dampak besar pembuatan komputer) - Penemuan transistor merupakan permulaan gelombang pasang

dari penemuan penemuan yang berkaitan rangkaian terpadu (IC)

Michael Faraday 1791 -1867Thomas Alva Edison 1847 -1931

- Pada tahun 1883

- Pemancaran gas oleh kawat pijar Edison,

- Ketika elektroda ini diberi tegangan positif terhadap kawat(filamen)

- Tegangan elektrode menjadi negatif, arus pun berhenti- Edison pembuat diode pertama, yang diakui sejarah

Kata diode adalah singkatan : (di) dua – (ode) elektrode

- Suhu ruangan (semikonduktor tipe P) pembawa muatan dengan sebagian terbesar berupa lubang- lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak murnian.

- Sebagian kecil elektron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energi termal.

- (semikonduktor tipe N) : pembawa muatan adalah elektron –elektron bebas dan mengandung lubang –lubang yang berjumlah kecil.

Diode merupakan peranti semikonduktor yang dasar. Diode memiliki banyak tipe dan tiap tipe memiliki fungsi dan karakteristik masing-masing.

Kata Diode berasal dari Di (Dua) & Ode (Elektrode), jadi Diode adalah komponen yang memiliki dua terminal atau dua electrode yang berfungsi sebagai penghantar arus listrik dalam satu arah.

Dengan kata lain diode bekerja sebagai Konduktor bila beda potensial listrik yang diberikan dalam arah tertentu (Bias Forward) tetapi diode akan bertindak sebagai Isolator bila beda potensial listrik diberikan dalam arah yang berlawanan (Bias Reverse) Tipe dasar dari diode adalah diode sambungan PN.

Pada awalnya diode-diode berupa peranti-peranti tabung hampa dengan filamen panas (disebut Katode) yang memancarkan elektron-elektron bebas, dan suatu pelat positif (disebut Anode) yang mengumpulkan elektron-elektron tersebut.

Diode Modern adalah peranti semikonduktor dengan bahan tipe n yang menyediakan elektron-elektron bebas dan bahan tipe p yang mengumpulkannya.

Simbol Diode

Konsumsi Daya Yang rendah Reabilitas & Durabilitas Yang tinggi Efisiensi Energi Panas Yang ditimbulkan kecil

Kerugian : Biaya Pembuatan Led yang relatif mahal.

Berhubungan dengan karakteristik dan sistematis simbol diode maka dapat diambil kesimpulan bahwa dioda akan berfungsi sebagai konduktor apabila dua syarat ini terpenuhi :1. Katode mendapat tegangan yang lebih negatif dari anode.2. Beda potensial antara anoda dan katoda melebihi potensial barier kira-kira 0.3 V untuk diode germanium dan 0.7 V untuk dioda silikon.

Ada tiga model diode. Model adalah representasi dari suatu komponen atau rangkaian yang memiliki satu atau lebih Sifat atau karakteristik.1. Model Diode Ideal2. Model Diode Praktek3. Model Diode Lengkap

Model diode ideal menggambarkan diode sebagai saklar sederhana yang dapat tertutup ( Conducting ) ketika dibias forward maupun tertutup ( nonconducting )

ketika dibias reverse. Model ini hanya digunakan untuk menentukan tahap awal troubleshooting (proses mencari kesalahan dalam perangkat elektronik).

Kondisi Karakteristik

OPEN *Infinite Resistansi Shg Arus nol

*Tegangan penuh pada kaki dioda

CLOSED *Resistansi nol Shg Arus Max

*Tegangan nol pada kaki dioda

Berdasarkan karakteristik sebuah saklar, maka dapat diperoleh pernyataan –pernyataan untuk diode ideal :

1. Ketika dibias reverse ( Open Switch )• Diode memilki resistansi tak terbatas ( maksimum )• Diode tidak dialiri arus• Sumber Tegangan akan jatuh semua pada terminal diode

2.Ketika dibias forward ( Closed Switch )• Diode memilki resistansi nol ( minimum )• Diode dialiri arus• Tidak ada Sumber Tegangan jatuh pada terminal diode

Dalam model diode ideal banyak karakteristrik-karakteristik diode yang diabaikan. Contohnya : Tegangan maju. Tegangan maju biasanya diperhatikan dalam analisis matematika dari rangkaian diode.

Pada aplikasi rangkaian yang digunakan diasumsikan dioda yang dipergunakan dioda silikon kalau ingin mengganti dengan dioda germaniun maka tegangan maju tinggal diubah dari 0.7V menjadi 0.3V

Model dioda lengkap merupakan model yang paling akurat menggambarkan karakteristik-karakteristik operasional diode. 2 faktor yang menyebabkan model ini menjadi semakin akurat adalah Resistansi Bulk.

IF

VF

IR

VR

IF

VF

IR

VR VK=0.7V

IF

VF

IR

VR VK=0.7V

RB= ΔV / ΔI

Model Diode

IDEAL

Model Diode

PRAKTEK

Model Diode

LENGKAP

Rangkaian Terpadu ( IC )

A silicon chip is a piece of silicon that can hold thousands of transistors. With transistors acting as switches, you can create Boolean gates, and with Boolean gates you can create microprocessor chips.

The natural progression from silicon to doped silicon to transistors to chips is what has made microprocessors and other electronic devices so inexpensive and ubiquitous in today's society.

The fundamental principles are surprisingly simple. The miracle is the constant refinement of those principles to the point where, today, tens of millions of transistors can be inexpensively formed onto a single chip.

Era perkembangan piranti elektronika

:1.Era tabung hampa (vacuum tube) awal

abad 20

2.Era transistor mulai tahun 1948

3.Era rangkaian terintegrasi (IC) mulai tahun

1960

1958 Kilby konsep monolitik ide menggunakan Germanium atau Silikon untuk seluruh rangkaian

1959 Kilby membuat oscillator dan multivibrator dari Germanium dengan konsep monolitik awal kelahiran IC

1959 Noyce dan Moore mengembangkan konsep monolitik dengan metode lithography

1959 Hoerni dan Fairchild konsep monolitik dengan metode planar atau difusi

1961 produksi masal IC 1964 High component density IC (chip) silikon

wafer berukuran 3 x 5 x 0.3 mm

Teknologi Nama Jumlah Komponen

Tahun

SSI Small Scale Integrated

<100 Awal 1960

MSI Medium Scale Integrated

100-1000 Awal 1960

LSI Large Scale Integrated

1000-10000 Awal 1970

VLSI Very Large Scale Integrated

10000-100000 Akhir 1970

ULSI Ultra Large Scale Integrated

>100000 Awal 1980