persambungan pn

Upload: arum-wulandari

Post on 07-Jul-2018

231 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    1/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    217

    Gambar 2.85. Karakteristik Penghantar (Conductor ), Semikonduktor(Semiconductor) dan Isolator (Insulator )

    Seperti Gambar 2.86, atom tembaga dengan lambang kimia Cu memilikiinti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektronmenempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebutnucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskanikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu electron yangke-29, berada pada orbit paling luar.

    Gambar 2.86. Struktur Atom Tembaga (Cu)

    Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita inidinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dengan

     jarak yang jauh dari nucleus, sehingga ikatannya tidak terlalu kuat. Hanyadengan energi yang relatif kecil, maka elektron terluar ini mudah terlepasdari ikatan intinya.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    2/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    218

    Gambar 2.87 Karakteristik Atom Konduktor

    Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atauberpindah-pindah dari satu nucleus  ke nucleus  lainnya, tanpa bedapotensial elektron-elektron pada bahan konduktor akan bergerak tidakteratur (elektron bebas) seperti Gambar 2.87. Jika diberi beda potensiallistrik, maka gerakan elektron-elektron tersebut menjadi teratur dandengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama seperti Gambar2.88. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik. Berbedadengan bahan isolator, bahwa struktur atom mempenyai elektron valensisebanyak 8 buah, dan melepaskan elektron-elektron dari ikatan intinyadibutuhkan energi yang besar.

    Gambar 2.88 Lintas Aliran Elektron

    Elektron yang diambil dari terminal positif berjalan didalam sumbertegangan menuju terminal negatif. Lintas aliran elektron tertutup.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    3/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    219

    2.6.2 Struktur Atom

     Arus listrik sesungguhnya gerakan sesaat dari partikel-partikel (bagian-bagian yang terkecil) yang bermuatan positif. Partikel-partikel ini ada

    yang bermuatan positif dan ada pula yang bermuatan negatif. Kumpulanpartikel bermuatan positif dan pertikel bermuatan negatif membentukatom, yang merupakan dasar terbentuknya semua zat.

    Gambar 2.89 Struktur Atom Germanium (Ge) 

    Setiap atom terdiri dari inti atom positif dan sejumlah elektron negatifyang mengelilingi inti. Gambar 2.89 mempelihatkan contoh struktur atomgermanium (Ge) dengan elektron bervalensi 4. Elektron paling luar yangbervalensi 4 berfungsi sebagai pengikat terhadap atom tetangga terdekat.Pada umumnya perilaku khas sebuah bahan padat adalah bahwa atomberada dalam posisi tetap dengan elektron yang bermuatan negatif danterikat terhadap intinya.

    2.6.3 Ikatan Kristal Semikonduktor

    Elektron valensi antara bahan semikonduktor dan bahan isolator, tidaksama dengan elektron valensi yang terdapat dalam logam, yaitu biasanyatidak dapat bergerak dengan bebas. Elektron valensi ini biasanyamerupakan elektron terikat (bound electron). Terdapat satu jeniskristal/hablur yang sangat penting yaitu kristal valensi. Susunan ikatanantara dua atom yang berdampingan membentuk sepasang elektronvalensi ikatan ganda atau covalent electron. Dalam keadaan ikatanganda antara sebuah atom dengan sejumlah atom tetangga terdekatnyasama dengan banyaknya elektron valensi semula yang semula dimilikioleh atom bersangkutan.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    4/31

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    5/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    221

    meregang dari ikatan inti atom. Sehingga pada suhu tertentumenyebabkan suatu ikatan antara inti atom dengan elektron valensimenjadi terenggut.

    Perlu diketahui, bahwa tenaga yang dibutuhkan untukmerenggut/melepas ikatan-ikatan tersebut tidak berasal dari partikel luar,melainkan dating dari kristal itu sendiri. Makin tinggi suhu yang dapatditerima oleh semikonduktor, makin banyak elektron-elektron berikat yangdapat terenggut lepas dari ikatan-ikatan intinya. Pada tahap keadaan inimenunjukan, bahwa semikonduktor dapat berubah menjadi bahan yangdapat mengalirkan arus (bahan konduktor).

    Gambar 2.92 Proses Renggutan Akibat Panas

    2.6.5 Aliran Elektron Bebas

    Kristal seperti yang diperlihatkan Gambar 2.92, adalah semakinmemperjelas pengaruh agitasi panas atom. Kita dapat melihat bahwasebuah elektron yang bermuatan negatif menjadi bebas dan dapat

    menimbulkan aliran arus listrik.Ini suatu cara, untuk menggambarkan sebuah elektron dapatmengakibatkan terjadinya aliran arus, apabila elektron-elektron valensiteregut lepas dari ikatan intinya. Seperti yang diperlihatkan ilustrasiGambar 2.93, bahwa arah gerakan terlepasnya elektron-elektron valensitersebut selalu berlawan arah dengan medan listrik.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    6/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    222

    Gambar 2.93 Proses Renggutan Akibat Panas

    2.6.6 Arus Elektron Berikat

    Pada penjelasan sebelumnya telah dijelaskan, bahwa dalam keadaannormal elektron yang terikat dalam atom tidak dapat meninggalkanposisinya, kecuali bila ada pengaruh dari luar. Akan tetapi khususterhadap ketentuan ini terdapat pengecualian, yaitu apabila suatuelektron valensi berikat berada dekat pada tempat yang kekuranganelektron (biasanya disebut “lubang/hole”), yaitu akibat ditinggalkan olehelektron yang terenggut dari ikatannya, dan menyebabkan elektron-valensi dapat bergerak/meloncat melintang menuju ikatan yang telah

    dikosongkan sebelumnya. Jadi tempat yang berlubang menjadi bergesersatu langkah kearah yang berlawanan (kesebelah kiri).

    Gambar 2.94 Arus Elektron Bebas

    Gambar 2.94 memperlihatkan ilustrasi bagaimana gerakan elektronvalensi terlepas dari intinya dengan meninggalkan lubang bergeserberlawanan arah dengan arah medan listrik. Proses kejadian ini bergerak

    secara terus menerus. Dan apabila medan listrik (beda potensial)

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    7/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    223

    diterapkan pada kristal/hablur akan dapat mendesak tempat yangkekurangan/hole  semakin dekat menuju ke arah medan listrik tersebut.Sehingga pada kutub positif menjadi kekurangan electron, dan sebaliknyadikutub negatif menjadi kelebihan elektron.

    2.6.7 Model Garasi Shockley

    Untuk mempermudah bagaimana proses terjadinya aliran elektron-valensi berikat menjadi elektron bebas, seorang ahli fisika W. Shockleymemodelkan dengan sebuah garasi mobil dua tingkat yang berderetdengan banyak mobil di tingkat I, sedangkan pada tingkat II kosong tidakada satupun mobil yang di parker. Model tersebut dikenal dengansebutan Garasi Shockkley.

    Gambar 2.95 Model Garasi Schockley I 

    Ilustrasi Gambar 2.95 memperlihatkan, mula-mula semua garasi dibawah terisi penuh, tetapi tidak demikian dengan situasi di tingkat atas,sehingga meyebabkan kendaraan yang di parkir di bawah tidak dapatbergerak. Untuk mengatasi kemacetan tersebut, maka salah satukendaraan harus dinaikkan ke tingkat atas. Dengan demikian kendaraanyang dinaikkan keatas dapat bergerak bebas, sedangkan tempat yangditinggalkan kendaraan tersebut terbentuk sebuah celah kosong. Jikaproses ini dilakukan terus menerus maka akan terbangun sebuah celahkosong yang bergerak ke arah kanan seperti yang diperlihatkan olehGambar 2.96.

    Gambar 2.96 Model Garasi Schockley II

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    8/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    224

    Berpindahnya renggangan celah kosong tersebut berjalan berlawananarah dengan kendaraan yang dipindahkan ke tingkat atas. Bila keadaanini dilakukan berulang-ulang, maka renggangan celah kosong akan dapatmelintasi seluruh tingkat bawah.

    2.6.8 Elektron Yang Hilang

    Pada paragrap sebelumnya telah dijelaskan, bahwa tidak hanya elektronbebas saja yang dapat bergerak dalam kristal, melainkan kadang-kadang

     juga elektron-valensi berikat. Dan jika gerakan tunggal elektron tersebutdirangkaikan akan dapat mengakibatkan bergeraknya rengganganelektron (lubang). Agar supaya lebih mudah, maka pembahasan tidakmembicarakan mengenai masalah gerak elektron valensi berikat,melainkan hanya fokus pada gerak kekurangan elektron. Kekurangandisini dapat dialogikan sebagai elektron yang hilang atau lubang (hole),

    dimana lubang ini dinamakan suatu partikel bermuatan positif yangbergerak searah dengan medan listrik. Ada dua jenis partikel pembawaarus listrik dalam semikonduktor, yaitu lubang (hole) yang bermuatanpositif dan elektron yang bermuatan negatif.

    2.6.9 Semikonduktor Intrinsik-Murni 

    Silikon (Si) dan germanium (Ge) merupakan dua jenis semikonduktoryang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolomempat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat.Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetradhedral   dengansetiap atom satu sama lain saling terikat bersama sebuah elektronvalensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 2.97 memperlihatkanbentuk ikatan kovalen dalam 3 dimensi. Pada temperatur mendekatiharga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehinggatidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.Produksi berpindahnya pasangan elektron dan lubang dalamsemikonduktor akibat pemanasan dapat menyebabkan timbulnyapenghantaran yang sebenarnya atau disebut dengan konduksi intrinsik .

    Gambar. 2.97 (a) Koordinasi tetradhedral, (b)ikatan kovalen silikon dalam 3

    dimensi

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    9/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    225

    Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalahsebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Padatemperatur ruang (300oK), sejumlah elektron mempunyai energi yangcukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita

    valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarya energi yangdiperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksiini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hol e). Pada daerahdimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dandaerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatannegatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliranlistrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalenyang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari

    lubang yang lama ke lubang baru.

    2.6.10 Semikonduktor Ekstrinsik-Tak Murni 

    Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga ataulima dalam tabel periodik kimia (lihat tabel pada pelajaran kimia) kedalam silikon (Si) atau germanium (Ge) murni. 

     Arsenida (GaAs),  Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yangdikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan,silicon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan inidari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumisetelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alamyang banyak mengandung unsur silikon.

    Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masingmemiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jikadikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebutmembentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhuyang sangat rendah (0oK), struktur atom silicon divisualisasikan sepertipada gambar berikut.

    Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti

    atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktorbersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untukmenghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalenyang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektronterlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapatterlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yangbaik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masaitu mencoba memberikan pengotor pada bahan semikonduktor ini.Pemberian pengotor dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensibebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan

    dapat mengahantarkan listrik.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    10/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    226

    2.6.11 Tipe-N

    Bahan silikon diberi pengotor  phosphorus atau arsenic yang pentavalenyaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Denganpengotor, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akanmemiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuksemikonduktor tipe-N. Semikonduktor tipe-N disebut juga donor  yang siapmelepaskan elektron. Gambar 2.98 memperlihatkan kristal silikon denganpengotor Posfor menjadi semikonduktor tipe- N

    Gambar 2.98 Struktur dua dimensi kristal silikon dengan pengotor phospor

    2.6.12 Tipe-P

    Kalau silikon diberi pengotor Boron, Gallium atau Indium, maka akandidapat semikonduktor tipe-P. Untuk mendapatkan silikon tipe-P, bahan

    pengotornya adalah bahan trivalen yaitu unsur atom dengan ion yangmemiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang lubang (hol e).Lubang (hole) ini dapat dialogikan sebagai akseptor yang siap menerimaelektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkansemikonduktor ini menjadi tipe-P. Gambar 2.99 memperlihatkan kristalSilikon dengan pengotor Boron menjadi semikonduktor tipe- P

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    11/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    227

    Gambar 2.99. Struktur dua dimensi kristal Silikon dengan pengotor Boron

    2.6.13 Karakteristik Diode Persambungan –PN.

    Sebuah dioda (daya) merupakan komponen sambungan-PN dua terminal

    yang dibentuk dari penumbuhan pencampuran, difusi (pembauran), danepiktasial. Pada penerapan teknik kendali (kontrol) modern dalam prosesdifusi dan epiktasial sangat memungkinkan sekali sebuah karakteristikdioda yang diharapkan sesuai dengan tuntutan dan keinginan spesifikasi.Gambar 2.100. menunjukan simbol dan konstruksi sebuah diodapersambungan-PN.

    Gambar 2.100 Simbol dan konstruksi diode persambungan-PN

    Ketika potensial anode ( A) positif terhadap katode (K ), diode mendapatbias maju dengan demikian nilai yang positif dari (I D) yang menyebabkanarus mengalir dari sisi P ke sisi N. Suatu diode berprategangan maju(forward bias) apabila tegangan V positif, hal ini menandakan bahwa sisi

    P dari persambungan adalah positif terhadap sisi N. Simbol ( )menunjukan koefisien emisi yang tergantung oleh material dan susunan

    fisik diode. Untuk diode Germanium ( ) bernilai 1 dan untuk diode silicon

    nilai prediksi ( ) adalah 2. Pada kebanyakan apalikasi didalam praktek

    nilai ( ) untuk diode silicon berada dalam rentang 1,1 untuk arus besar

    sampai 1,8 untuk arus kecil.Gambar 2.100 memperlihatkan diode persambungan PN akibat pengaruheksternal temperatur dalam kondisi tanpa adanya tegangan bias. Elektrondan lubang ditunjukkan dan ditandai oleh batas warna biru, garis biru dangaris warna merah. Daerah abu-abu memperlihatkan area netral.

    Medan listrik dihasilkan oleh daerah defleksi berlawanan arah terhadappproses difusi untuk hole-hole  dan elekron-elektron. Terjadi duafenomena yaitu proses difusi yang cenderug menghasilkan daerahdefleksi dan medan listrik yang dihasilkan oleh daerah defleksi yang

    cenderung melawan gerakan difusi. Bentuk konsentrasi pembawa

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    12/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    228

    digaambarkan seperti garis merah dan biru pada Gambar 2.100, di manaterlihat kurva yang berlawanan dan seimbang.

    Gambar 2.101 adalah hubungan PN dalam suhu ruang tanpa pemberiantegangan bias. Di bawah gambar hubungan (junction) , dilukiskankepadatan pngisian, medan listrik dan tegangan. Daerah defleksi adalahdaerah pengumpulan ion-ion donor dan aseptor yang tidak terbentuk olehdifusi pembawa mayoritas. Bila keseimbangan tercapai, kepadatanpengisian akan digambarkan seperti fungsi step  (tanjakan). Dalamkenyataan, daerah ini angat sulit untuk dilewati pembawa mayoritas(kepadatan muatan setara dengan level pengotoran/dopping ), danpersilangan di antara daerah netral dan daerah defleksi sangat tajam(lihat Gambar 2.101). daerah defleksi memiliki bentuk yang sama dengandaerah muatan dilihat dari sisi hubungan PN di mana terpisah dari sisipengotoran ( sisi N pada Gambar 2.100 dan 2.101).

    Gambar 2.101 Diode persambungan-PN pengaruh panas tanpa bias

    Karakteristik V-I dapat ditunjukan pada Gambar 2.102. yang menyatakan

    perubahan besarnya arus (I  D) akibat tegangan bias (V D) dan dapat

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    13/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    229

    dinyatakan dalam persamaan (2.215 ) yang lebih dikenal denganpersamaan diode Schockey. 

    Gambar 2.102 Karakteristik diode PN 

    Persamaan arus dioda

     

     

     

      1-T

    D

    .V

    V

    SD   

     I  I     (2.215)

    Dari persamaan (2.215) dapat dijelaskan bahwa suatu diodeberprategangan maju (forward biased ) apabila tegangan (V D) positif, iniberarti menunjukan nilai positif arus diode (I D) mengalir dari sisipersambungan-P menuju sisi persambungan-N.

    dengan

    I  D  = besarnya arus yang melalui diode (Ampere)

    VD  = besarnya tegangan diode dengan anode positif terhadapkatode (Volt)

    I  S = besarnya arus bocor (saturasi balik) umumnya 10-6

     A sampai10-15 A

      = Konstanta empiris yang dikenal sebagai factor idealitas atausuatu koefisien emisi yang nilainya antara 1 sampai 2.

    Simbol (V T ) dalam persamaan (2.215) menyatakan ekivalen tegangandari temperatur atau disebut juga konstanta tegangan termal dan dapatdinyatakan dalam persamaan (2.216) berikut;

    q

    k.T  V T     (2.216)

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    14/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    230

    dengan;

    q = muatan electron 1.6022 x 10-19 coulomb (C)T = temperatur absoulut kamar dalam Kelvin (K = 273 + OC)K = konstanta Boltmann 1.2806 x 10-23 J/K

    Pada temperatur kamar 25OC, maka besarnya tegangan ekivalen (V T )adalah sebesar

    25.8mV 10  x 1.6022

    25)(273 x 10  x 1.2806

    q

    k.T  V 

    19-

    -23

    T   

     

    Untuk nilai pendekatan banyak buku data memberikan nilai referensiV T =25mV  atau V T =26mV .

    Pada kondisi temperatur tertentu (khusus), besarnya arus bocor ( I S)

    konstan untuk tuntutan sebuah diode dengan spesifikasi khusus.Karakteristik V-I yang diberikan oleh persamaan (2.315) ditunjukanseperti pada Gambar 2.102. dapat dikelompokan menjadi tiga daerahkerja, yaitu;

      Daerah kerja bias maju, dengan VD0

      Daerah kerja bias mundur, dengan VD0

      Daerah brekdown, dengan VD-VZK 

    2.6.14 Resistansi Diode

    Resistansi statik (R D) dari diode didefinisikan sebagai perbandingan (V/ I  )dari tegangan dan arus disebarang titik karakteristik volt-ampere.Perubahan resistansi (R D) mengekspresikan kebalikan dari kemiringankurva dari garis yang menghubungkan setiap titik operasi. Perubahannilai resistansi statik (R D) sangat tergantung dari perubahan tegangan (V )

    dan arus (I  ), dan tidak merupakan parameter yang penting didalam disainrangkaian. Sifat-sifat penyearahan dari sebuah diode yang diberikandalam lembaran spesifikasi dari pabrik dengan memberikan teganganmaju pada operasi maksimum (V F ) diperlukan untuk mencapai arus maju

    diode maksimum (I    F) dan sebaliknya untuk kondisi tegangan reverse

    maksimum (V R ) untuk mencapai arus reverse maksimum (I    R ). Nilai-nilaipengukuran uji spesifikasi untuk diode silicon epitaksial planar adalah

    V F =0.8V   pada I    F =10mA  didapatkan nilai resistansi statis R F =80    dan

    arus balik I   R =0.1  A pada V R =-50V  didapatkan nilai resistansi balik statis

    R R =500M  . 

    Tahanan dinamik (r D) dari sebuah diode merupakan perbandingan

    (V/ I  ) dari perubahan tegangan dengan perubahan arus. Untukkeperluan operasi sinyal kecil (small signal) resistansi dinamik atauinkrimental (r D) adalah suatu parameter yang penting dan dapat juga

    didefinisikan sebagai kebalikan dari kemiringan karakteristik perubahan

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    15/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    231

    volt-ampere disemua garis yang menghubungkan titik operasi. Perludiketahui bahwa resistansi dinamik suatu diode yang disertakan dalamlembaran data bukan merupakan suatu tetapan yang mutlak, tapi nilainyasangat tergantung pada tegangan operasi. Sebagai contoh, untuk diode

    semikonduktor nilai (r D) ditentukan oleh persamaan (2.317), dengankonduktansi dinamik ( D1/r g   ) adalah

    SD

    VT 

    VD.

    S

    V η.

     

    η.V 

    I  

    V  g 

      I  I  I  I    

     

     

     

       (2.217)

    Untuk kondisi tegangan bias balik (reverse biased ), karena 1V  / V  T D     ,

    maka konduktansi (g ) kecil dan (r B) besar sekali. Dengan demikian nilairesistansi dinamik (r B) jauh lebih besar dari nilai r D (r B>>>r D ). Sedangkan

    untuk kondisi prategangan maju nilai arus ( I   D>> 

    I   S), sehingga ( I   S)dapat diabaikan. Sehingga dari persamaan (2.217) didapatkan nilairesistansi dinamik (r D) seperti berikut;

    D

    T D

    η.V  r     (2.218)

    Dari persamaan (2.318) dapat dijelaskan, bahwa besarnya resistansi

    dinamik (r D) berbanding terbalik dengan arus (I  D). Pada temperatur ruang

    untuk   =1, maka besarnya D26mV/I r D . Sebagai contoh, untuk arus

    majuI  

    D=26mA, maka resistansi dinamik r D=1 . Pada umumnya besarnyaresistansi dinamik dari bahan semikonduktor secara keseluruhan diluarpersambungan mungkin mempunyai orde yang lebih atau lebih tinggi darinilai ini. Walaupun nilai (r D) berubah terhadap perubahan arus. Untukkeperluan pemodelan sinyal kecil, maka tuntutan disain selayaknyaparameter (r D) penting sekali dipergunakan sebagai ketetapan.

    2.6.15 Linierisasi Karakteristik Diode

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    16/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    232

    Gambar 2.103 Linierisasi I-V karakteristik dioda

    Pendekatan untuk model sinyal besar yang menuntut hasil denganketelitian tinggi, maka diperlukan model pendekatan sifat-sifat kurvadiode ideal yaitu dengan cara membuat kurva diode sedemikian rupasehingga karakteristik tersebut mendekati linear. Gambar 2.103menunjukkan linearisasi karakteristik diode semikonduktor, dimana titik

    tegangan potong (V  ) tidak berada dipangkal dan oleh karena itu disebut juga tegangan ambang (threshold) atau penyimpangan.

    Berdasarkan kurva karakteristik tersebut, jika (VV  ) maka diodeakan berfungsi sebagai rangkaian tertutup, dengan faktor kemiringan

    tegangan terhadap arus  r D dV/dt    yang menunjukkan perubahanpenurunan nilai resistansi atau dapat dinyatakan dengan ( Dr /1 ) dan

    biasanya dikenal dengan resistansi maju. Penting untuk diperhatikan, bilaresistansi (r D) dinyatakan (R D) yang merupakan notasi resistansi majustatic. Untuk keperluan pemodelan sinyal besar resistansi static

     RD V/I    yang mempunyai nilai berubah-ubah tidak digunakandidalam disain rangkaian.

    Nilai numerik tegangan potong (V  ) dan resistansi maju static (R D)berbeda bergantung pada tipe diode. Misalnya untuk diode bertipegermanium untuk nilai pada arus diode 10mA  didapatkan tegangan

    V  =0,2V  bersesuaian dengan nilai resistansi R D=20  .  Sedangkan untuk

    diode tipe silicon pada tegangan V  =0,6V   bersesuaian dengan nilai

    resistansi R D=15  .  Dan arus diode dinaikkan menjadi 50mA,  maka

    perubahan tegangan V  =0,3V   bersesuaian dengan nilai resistansi

    R D=6  .  Sedangkan untuk diode tipe silicon pada tegangan V  =0,6V  

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    17/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    233

    bersesuaian dengan nilai resistansi R D=5,5  . Untuk diode khusus seperti

    misalnya diode zener/avelans tegangan (V  ) disebut dengan (Vz ) danresistansi dinamik (R D) berada pada daerah operasi dadal/mundur.

    2.6.16 Kapasitansi diode

    Pada bagian ini akan dijelaskan unsur-unsur pengaruh efek kapasitansidari komponen nonlinier diode persambungan-PN. Besarnya ukuran danpengaruh efek kapasitansi ini sangat ditentukan oleh proses fabrikasi,besarnya manitude dan polaritas tegangan bias yang diberikan padadiode.

    Perubahan efek kapasitansi bersifat nonlinier, tapi biasanya untukmemudahkan analisa didalam aplikasi disain rangkaian pada umumnyasecara matematis dapat dimodelkan melalui pendekatan linier bertahap

    (linierisasi model).Secara ideal sebuah diode harus tidak memiliki waktu pemulihan mundur.Namun, proses pembuatan diode yang mempunyai sifat seperti ini sangattidak efektif dan mengeluarkan biaya sangat tinggi. Dalam banyakpenggunaan aplikasi, efek dan waktu pemulihan mundur, karena tidakterlalu penting untuk dibahas pada diode persambungan, disamping ituuntuk menghindari biaya proses fabrikasi, sehingga dengan demikiandiode dapat dibuat dengan biaya yang murah dan dapat digunakan untukbeberapa aplikasi yang tidak menuntut kecepatan tinggi. Untuk itukarakteristik dan batasan praktis beberapa tipe yang membatasi

    kegunaannya sangat penting untuk dipahami, hal ini bertujuan agarpemilihan karakteristik dan tipe diode dimungkinan sesuai dengantuntutan yang diminta disain rangkaian, dengan demikian biaya bisaditekan semurah mungkin.

    2.6.17 Efek Kapasitansi Transisi CT 

    Mempertimbangkan efek dari proses manufaktur yang ditimbulkan olehdiode persambungan-PN pada saat mendapatkan bias mundur sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 2.104, bilamana diode dioperasikan padamode ini, maka semua lubang/holes yang bermuatan positif di sekitarwilayah persambungan-P dan semua elektron yang bermuatan negatifdisekitar wilayah persambungan-N semua bergerak menjauh daripersambungan sedemikian rupa sehingga membentuk daerahpengosongan, dengan demikian panjang efektif daerah medanpengosongan (L) menjadi semakin lebar sebading dengan semakinmeningkatnya pemberian tegangan balik (V R ). Demikian juga medanlistrik akan naik secara proporsional dengan kenaikkan tegangan balik(V R ).

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    18/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    234

    nR O

    C T 2.V 1

    C  C C 

      (2.219)

    dengan

    C C  = kapasitansi kemasan diode

    C O = Kapasitansi dioda saat VR = 0

    n = perbadingan energi pada tegangan VNP 

    Selama semua elektron dan semua lubang bergerak menjauhi dari gariswilayah persambungan, daerah pengosongan yang dibentuk olehmaterial (P ) akan berubah menjadi bermuatan negatif sedangkan untukdaerah pengosongan dibentuk oleh material (N ) akan berubah menjadibermuatan positif.

    CR 

    VR (V)

    +-

    ++

    -

    -

    P N

     junction

    L

    R VR 

    CR +Co

     

    Gambar 2.104 Efek kapasitansi dioda tegangan balik

    Persambungan dengan posisi tegangan balik pada prinsipnyamempunyai tingkah laku yang menyerupai seperti suatu kapasitor, yangmana efek kapasitansi ini secara teoritis bervariasi dan berbanding

    terbalik dengan besarnya tegangan jatuh (V NP ) dari N  ke P . Nilai empiriskapasitansi (C R ) berbanding terbalik terhadap 1/2  energi atau 1/3 energi(V NP ), tergantung pada apakah persambungan mempunyai suatucampuran logam atau suatu persambungan dari proses penumbuhan.Untuk keperluan aplikasi kecepatan tinggi dioda kapasitansi inimempunyei fisik agak kecil, dan pada umumnya kapasitansi bernilaikurang dari 5pF .

    Sedangkan bila diaplikasikan sebagai perata arus/pengoreksi diodamempunyai fisik lebih besar dengan nilai kapasitansi berkisar 500pF .

    2.6.18 Efek Kapasitansi Difusi CD 

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    19/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    235

    Bila sebuah diode pada kondisi bias maju, maka jarak atau lebar daerahpengosongan (L) menyempit dan menyebabkan peningkatan relatifkapasitansi difusi (C D)  Dengan demikian pada daerah persambunganakan muncul efek kapasitansi yang lebih besar dari pada efek kapasitansi

    saat diode mendapat bias mundur. Penyebab kapasitansi yang besar iniadalah perbedaan penyimpangan muatan yang diinjeksikan dekatpersambungan di luar daerah pengosongan antara bias maju dan biasmundur (bias maju mempunyai daerah pengosongan yang sempitdengan perubahan arus yang besar, sedangkan untuk bias mundurmempunyai daerah pengosongan yang lebar dengan perubahan arusbocor yang kecil). Pengertian efek kapasitansi difusi dapat didefinisikansebagai pertambahan kapasitansi akibat perubahan kecepatan darimuatan yang diinjeksikan dengan muatan atau disebut juga kapasitansipenyimpanan (C D)

    Secara kuantitatif hubungana kapasitansi difusi (C D) dapat ditentukansebagai berikut;

    D

    DDDD

    r  .g r 

    dv 

    di .r 

    dV 

    dQ C      (2.220)

    dimana (g ) adalah konduktansi sebanding dengan perubahan arus

    terhadap perubahan tegangan di/dv g .

    Dengan mensubstitusikan persamaan untuk resistansi dinamik 1/g r D   

    yang diberikan oleh persamaan (2.219) kedalam persamaan (2.220) akandihasilkan;

    DT 

    DD

    η.V 

    . C      

      I  

      (2.221)

    Dari persamaan (2.221) dapat dijelaskan, bahwa besarnya kapasitansi

    difusi (C D) berbanding langsung dengan kenaikkan arus maju (I  D). Dalam

    penurunan persamaan (2.221) diatas, dianggap arus maju diode (I  D)hanya berasal dari holes/lubang saja.

    Untuk tegangan balik, nilai konduktansi (g ) sangat kecil, sehinggabesarnya kapasitansi difusi (C D) dapat diabaikan dibandingkan dengankapasitansi transisi (C T ). Karena pada umumnya untuk kondisi arus maju(I D), nilai kapasitansi (C D) jauh lebih besar daripada kapasitansi transisi(C T ).

    2.6.19 Daerah Kerja Bias Maju (forward b iased )

    Pada daerah bias maju untuk (V D>0 ), besarnya arus diode (I  D) sangatkecil jika tegangan diode (V D) kurang dari nilai spesifik tegangan

    temperatur (V T  )  (umumnya 0.6V  0.7V ). Dan diode akan konduksi penuh

    bila (V D) lebih besar daripada tegangan temperatur (V T ) yang

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    20/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    236

    direferensikan pada tegangan batas (threshold voltage) atau tegangancut in/turn on. Sehingga yang dinamakan tegangan batas adalahtegangan ketika diode konduksi penuh.

    Saat tegangan diode kecil, misal V D = 0.1V ;   = 1 dan V 

    T  = 25.8mV .

    Dengan menggunakan persamaan (2.315), maka dapat ditentukan nilai

    arus diode (I  D).

    %I1-48.23

    ee

    SSD

    0.1

    S

    .V

    V

    SD

    T

    D

    2.1kesalahandengan

    025801

     

     

     

     

     

     

     

     

    47.23.

    1-1-  ). x (  

    I  I  

    I  I  I     

     

    Sehingga untuk V D>0.1V dengan nilai I  D>>I  S, maka pada kasuspersamaan (2.215) dapat dilakukan pendekatan dengan factor kesalahan2.1%.

    1-

     

     

     

     

     

     

     

      T

    D

    T

    D

    .V

    V

    S

    .V

    V

    SD ee  

    I  I  I     (2.222)

    2.6.20 Daerah Kerja Bias Mundur(reverse biased)  

    Pada daerah bias maju untuk (V D 0 ).  Jika (V D) negatif (V D 

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    21/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    237

    Dengan demikian yang perlu diperhatikan adalah agar diode tidakmengalami disipasi daya yang berlebihan adalah dengan membatasi arusmundur di daerah break down sesuai dengan batas yang diijinkan.

    Karakteristik tegangan balik suatu diode semikonduktor yang beradapada daerah dadal (break down) ditunjukkan pada Gambar 2.104. Diode-diode yang didesain dengan kemampuan membuang daya yangmemadai untuk dijalankan di daerah dadal (break down region)aplikasinya dapat digunakan sebagai acuan tegangan (reference voltage)yang dapat memberikan tegangan keluaran yang konstan. Diode yangbekerjanya seperti ini dinamakan sebagai diode avelans, dadal ataudiode zener (untuk lebih jelasnya pembahasan diode zener akanditerangkan pada bab tersendiri).

    2.6.22 Waktu Switching  Diode Persambungan

     Apabila sebuah diode dikendalikan dari keadaan mundur menjadikeadaan maju atau dalam arah yang berlawanan, maka tanggapan diodeakan mengalami transien penundaan dengan interval waktu sebelumdiode tersebut pulih kembali (recovery ) pada keadaan stasionernya.Untuk waktu pemulihan maju (t fr ) adalah selisih waktu dimulai dari waktutegangan mencapai 10%  dari maksimumnya sampai pada waktutegangan tinggal 10%  untuk memncapai tegangan akhirnya. Ternyatawaktu switching  maju tfr tidak merupakan masalah yang begitu penting

    didalam praktek.

    Oleh karena itu didalam kebanyakan aplikasi yang penting perlu ditinjauadalah hanya saat keadaan pemulihan balik/reverse saja.

    2.6.23 Pemulihan Mundur (Reverse Recov ery ) 

     Arus pada diode sambungan-PN bias maju sangat ditentukan pada saatefek bersih (netral) dari pembawa mayoritas dan minoritasnya. Pada saatdiode dikondisikan mode maju dan kemudian arus majunya diturunkansedemikian rupa sehingga menjadi nol (karena perilaku natural diode

    yang seharusnya telah mendapatkan tegangan balik), diode mengalamaiperlambatan (waktu tunda), dalam hal ini diode masih meneruskanproses konduksi karena akibat pembawa minoritas yang tersisatersimpan dalam sambungan-PN dan material semikonduktornya.Pembawa minoritas memerlukan waktu yang cukup untuk menyusunulang dengan pengisian lawannya untuk segera dinetralkan. Waktu inidisebut waktu pemulihan balik (reverse recovery ) diode.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    22/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    238

    t (s)

    ID

    ta

    trr 

    25%Irr 

    Irr 

    IF

    t b

     

    Gambar 2.105 Karakteristik pengisian-pemulihan mundur  

    Gambar 2.105 menunjukan karakteristik pemulihan balik sebuah diodepersambungan-PN dan tipe pemulihan lunak (soft recovery ) yang umum,dimana waktu balik ini dinotasikan dengan (t rr ) dan diukur dariperpotongan initial zero crossing   arus diode sampai pada titik 25% arus

    balik puncak, (I  RR ) dan (t rr ) terdiri dari dua komponen (t a) dan (t b). Waktuta diakibatkan karena proses pengisisan komponen penyimpan di daerahdepleksi dari sambungan dan mereprensentasikan waktu antara zero

    crossing  dengan arus mundur puncak (I  RR ).

    Waktu tunda (t b) adalah merupakan proses komponen penyimpan dalam

    bagian terbesar karena pengaruh material semikonduktor.Besarnya faktor perbandingan antara waktu (t a) dan (t b) dikenal denganfactor kelunakan (softnes factor SF ). Agar diperoleh hubungan matematisyang praktis, maka konsentrasi pada waktu pemulihan total (t rr ) dengan

    nilai puncak dari arus mundur puncak (I  R ) dapat dinyatakan seperti padapersamaan (2.224) berikut ini;

    trr  = ta + tb  (2.224)

    (t rr ) sangat tergantung pada temperatur sambungan, tingkat jatuhnya arusmaju dan arus maju selum komutasi. Dengan demikian arus mundur

    puncak dapat diekspresikan kedalam persamaan (2.225)

    I  RR t 

    i  ta 

        (2.225)

    Waktu tunda pemulihan mundur (t rr ) dapat didefinisikan sebagai intervalwaktu antara arus yang melewati titik nol selama peralihan dari modekonduksi forward /maju ke mode reverse/mundur ketika momen arus

    mundur mencapai 25% dari nilai puncak mundur (I  RR ).

    Pengisisan pemulihan mundur (QRR ) dapat didefinisikan sebagai

    pembawa muatan pengisian yang mengalir melalui diode dengan arah

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    23/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    239

    berlawanan yang dikarenakan pengambilalihan dari saat mode kondisikonduksi maju ke mode kondisi reverse/mundur. Besarnya nilai pengisianpemulihan mundur (QRR ) ditentukan dari daerah yang dicakup oleh arahdari arus pemulihan mundur.

    Pendekatan daerah yang dicakup oleh arah arus pengisian pemulihanmundur secara matematis dapat ditentukan menurut persamaan (2.226)berikut

    rr R R bRR aRR RR t 

    1 t 

    1 t 

    1 Q     I  I  I     (2.226)

    atau

    I  RR  

    rr 

    RR 

    2.Q    (2.227)

    Dengan menyelesaikan persamaan (2.225) dengan persamaan (2.227)sehingga dihasilkan

    δt δi 

    2.Q .t t  RR arr      (2.228)

    Jika (t a>>t b )  dan (t rr      t a ), maka (tb) dapat diabaikan dan didapatkanpersamaan (2.15) berikut

    t i 

    2.Q t  RR rr  

        (2.229)

    dan

    I  RRr  t 

    i 2.QRR 

     

        (2.230)

    Dapat dinyatakan dari persamaan (2.229) dan (2.230) bahwa waktu

    pemulihan mundur (t rr ) dan arus pemulihan mundur puncak (I  RR )

    tergantung dari pengisian penyimpanan (QRR ) dan ( dt di / ) mundur.Pengisian penyimpanan tidak tergantung pada arus diode maju (I  F ). Arus

    pemulihan mundur (I  RR ), pengisian mundur (QRR ), dan factor kelunakaan(soft recovery ) sangat penting untuk diperhatikan bagiperancang/rekayasa perancang rangkaian, dan parameter ini terdapatpada lembaran buku data komponen (datasheet ) diode.

    Jika sebuah diode dalam kondisi bias mundur, bahwa arus bocormengalir karena pembawa minoritas. Kemudian aplikasi untuk teganganbias maju akan memaksa diode membawa arus ke arah maju (dari sisi Pke sisi N). Namun begitu, hal ini memerlukan waktu tertentu, yaitu yangdikenal dengan waktu pemulihan maju sebelum semua pembawa

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    24/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    240

    majoritas melalui sambungan dapat mengkontribusikan pada aliran arus.Jika tingkat kenaikan arus maju tinggi dan arus maju dikonsentrasikanpada bagian sambungan yang kecil saja, kemungkinan diode akanmengalami kegagalan sehingga waktu pemulihan maju akan membatasi

    tingkat kenaikan arus maju dan kecepatan pensaklaran/switching .

    2.6.24 Model Waktu Pemulihan Mundur  

    Suatu persambungan –PN yang dihubungkan dengan tegangan luar biasmaju, maka kerapatan pembawa minoritas dalam keadaan stasionerdiperlihatkan pada Gambar 2.106. Dan apabila tegangan bias tersebutdibalik dalam arah mundur/reverse biased , maka besarnya arah arusmaju yang mengalir tidak akan langsung turun ke nilai tegangan balikkeadaan stasioner (nol). Hal ini disebabkan oleh karena arus dapatmencapai nilainya pada keadaan stasioner sebelum distribusi pembawa

    minoritas yang pada saat tegangan balik mempunyai bentuk padaGambar 2.106a, berubah mejadi seperti bentuk Gambar 2.106b. Dengandemikian rapat pembawa minoritas P n-P no  (atau n p-n po) nilainya turunsampai pada level nol, dalam hal ini diode masih menghantarkan arusdengan mudah, dimana besarnya arus yang mengalir hanya ditentukanoleh resistansi beban (R L), tidak lagi tergantung oleh tegangan bias luarrangkaian diode.

    Waktu penyimpanan dan waktu transisi, telah dijelaskan bahwadisebabkan akibat pembalikan prategangan bias maju berubah menjadibias mundur dalam rangkaian diode seperti yang ditunjukan Gambar2.106. Bila tegangan masukan berupa gelombang kotak untuk siklusselama waktu (t 1) pada tegangan setinggi (V 1=V F ) dalam posisi arah biasmaju menyebabkan diode konduksi. Agar supaya penurunan tegangankeluaran yang melintasi beban (R L) besar terhadap penurunan teganganyang melintasi pada diode, maka nilai resistor beban (R L) dibuat besarterhadap resistansi diode. Dengan demikian arus yang mengalir melalui

    diode adalah F LF  I  /R V i    . Pada saat siklus (t = t 1) dimana tegangan

    masukan seketika berbalik mendadak menjadi (v = -V R ). Disebabkan olehkejadian tersebut diatas, maka aliran arus tidak langsung turun menjadi

    nol, melainkan aliran arus membalik dari arah semula dan bertahan padanilai F LF  I - /R V i     sampai pada saat (t = t 2 ).

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    25/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    241

    Gambar 2.106 Rapat pembawa minoritas suatu dioda persambungan 

    2.7 Transistor

    Pada bab ini akan dijelaskan mengenai susunan dan perilaku fisis darisuatu komponen semikonduktor, atau yang lebih dikenal dengan sebutantransistor persambungan bipolar (bipolar juction transistor-BJT ).Karakteristik penting yang perlu diketahui, bahwa perilaku kurva transistordari arus-tegangan antara masukan dan keluaran mempunyaikarakteristik yang berbeda, pada bagian masukan bersifat sebagaisumber tegangan konstan, sedangkan pada bagian keluaran bersifat

    sebagai sumber arus konstan.

    2.7.1 Sejarah

    Perkembangan dan kemajuan teknologi khususnya di bidang elektronikyang semakin pesat, sebagai indikasinya adalah dengan ditemukannyasuatu metoda planar didalam pembuatan komponen semikonduktorseperti dioda dan transistor. Disamping itu, rekayasa teknologi di bidangelektronik menuntut semakin meningkatnya akan kebutuhan komponen-komponen semikonduktor seperti transistor maupun diode. Sejarahpenemuan dan pengembangan transistor telah mengalami beberapatahapan dan perubahan, yaitu mulai dengan ditemukannya transistor titikkontak (1948), transistor sambungan bipolar (1950), dan yang baruadalah transistor dengan proses planar (1960). Tujuan dari beberapapengembangan dan penemuan tersebut, tidak lain adalah adanyatuntutan dan beberapa pertimbangan seperti misalnya, penekanan biaya,waktu, dan tingkat kemudahan didalam proses dan teknik produksi.Penting untuk diketahui adalah pada kebanyakan transistor lazimnyamempunyai susunan dan konstruksi serupa.

    2.7.2 Pembuatan Transistor

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    26/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    242

     Ada empat teknik yang dikembangkan untuk membuat dioda, transistordan piranti-piranti semikonduktor lainnya. Untuk itu beberapa prosespembuatan piranti-piranti semikonduktor tersebut dapat diklasifikasikanmenjadi empat macam pengelompokan yaitu, ditumbuhkan,

    pencampuran (alloy ), difusi atau epitaksial/planar.

    2.7.3 Proses Penumbuhan

    Transistor persambungan NPN dengan proses penumbuhan dapat dilihatpada Gambar 2.107a. Proses pembuatan piranti tersebut dilakukandengan menarik kristal tunggal (single crystal ) dari suatu lelehan Silicon atau Germanium yang kadar ketidakmurniannya diubah selama prosespenarikan kristal dengan menambah atom-atom tipe –N atau tipe-P yangdiperlukan.

    Gambar 2.107. Susunan fisis transistor  

    2.7.4 Proses Pencampuran

    Proses konstruksi pembuatan piranti ini disebut juga teknik paduan (fusedconstruction). Gambar 2.107b menunjukan proses penumbuhan untuksuatu jenis transistor NPN, dimana elektroda bagian tengah (basis)merupakan suatu kepingan tipis dari bahan tipe-P. Dua buah bintik kecilyang terbuat dari bahan Indium ditempelkan di kedua sisi yang

    berlawanan dari kepingan tersebut. Kemudian dalam waktu singkatseluruh struktur ini dipanaskan dengan temperatur yang tinggi, kira-kiraantara diatas titik didih indium dan dibawah titik didih Germanium.Dengan cara menempatkan titik didih yang benar, diharapkan akanterbentuk suatu larutan jenuh Indium dan Germanium dengan posisitumpang tindih dibawah germanium. Pada waktu proses pendinginan,Germanium yang telah bersentuhan dengan bahan basis akan kembalimengkristal, dengan konsentrasi Indium cukup untuk mengubah daribahan tipe-N menjadi tipe-P. elektroda kolektor dibuat dengan ukuranfisik relatif lebih besar dibandingkan dengan emitor sehingga apabiladilihat dari emitor kolektor akan nampak sedemikian rupa sehinggamembentuk sudut yang cukup besar. Oleh karena pengaturan lebar dan

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    27/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    243

    bentuk sudut tersebut, diharapkan akan dapat membuat pengaruhterhadap perubahan arus basis daripada perubahan arus difusi padaemitor, demikian juga untuk arus difusi kolektor adalah sangat kecilpengaruhnya.

    2.7.5 Proses Difusi

    Proses teknik pembuatan piranti ini adalah dengan membuatpersambungan-persambungan antara elektroda-elektroda emitor dankolektor, yaitu dengan cara melakukan difusi ketidakmurnian antarabahan tipe-N dan tipe-P dari difusi gas pada suatu kepingan tipissemikonduktor. Gambar 2.107c. memperlihatkan suatu Silikon planar dariproses difusi. Proses yang paling penting di dalam pembuatan pirantisemikonduktor adalah proses difusi dari ketidakmurnian ke dalamkepingan Silikon, karena pada proses ini merupakan dasar ditemukannya

    hubungan teori dasar semikonduktor. Suatu penyelesaian persamaandifusi akan memberikan efek dari perubahan temperatur terhadap waktusaat terjadinya distribusi proses difusi dan masalah yang sangat pentingpada karakteristik suatu semikonduktor adalah pengaruh temperatur.Parameter-parameter yang menentukan difusi dari suatu atom-atomnetral dapat dinyatakan seperti persamaan (2.231) berikut:

    2

    2

    x

     ND

    t

     N

     

     

     

        (2.231)

    dengan N adalah konsentrasi dari partikel dalam atom per satuan volumesebagai fungsi dari jarak ( x ) dari permukaan dan waktu (t ), dan (D)adalah konstanta difusi dalam luas per satuan waktu (lihat Gambar 2.101)sumbu horisontal adalah fungsi jarak ( x ).

    2.7.6 Proses Epitaksial

    Suatu transistor proses planar ditemukan dan banyak dikembangkandengan tujuan adanya permasalahan dan kesulitan pada tingkat prosesdifusi ketidakmurnian ke dalam bentuk kepingan silikon didalam langkah-langkah dan teknik produksi. Selain itu untuk memenuhi tuntutan akan

    kebutuhan transistor maupun dioda dengan spesifikasi tertentu, sepertidalam hal ukuran dan bentuk fisiknya yang kecil, pengeluaran biaya yanglebih murah dengan kuantitas produksi yang lebih banyak, dan yang lebihpenting adalah adanya peningkatan keandalan di dalam hal karakteristik-karakteristik bisa di jamin kualitasnya. Maka dari itu suatu teknologiproses planar untuk saat ini merupakan salah satu pilihan yang tepat danakurat, karena proses planar dapat menghasilkan transistor-transistordengan dengan bentuk phisik yang halus dengan ukuran yang kecil,sehingga spesifikasi frekuensi cut-off   (f T) dapat dibuat hingga mencapaisetinggi 1GHz. Konstruksi dasar dari proses planar dapat dibentuk

    dengan cara membuat lapisan tipis dioksida silikon (SiO2 ) yang

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    28/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    244

    ditumbuhkan pada permukaan irisan silicon, proses ini akan dapatmembentuk suatu segel pelindung yang sangat efektif terhadapkelembaban udara dan ketidakmurnian. Bilamana pada daerah-daerahtertentu dari oksida tersebut dihilangkan sedemikian rupa sehingga

    membentuk sebuah “jendela- jendela kecil,” maka difusi ketidakmurniandapat didorong ke dalam silicon yang terbuka untuk menciptakan daerah-daerah P atau N yang independen. Pemrosesan planar merupakan suatuurutan pekerjaan pengulangan berkesinambungan yang terdiri atas tigabagian penting, yaitu:

      Oksidasi, merupakan proses pembentukan dioksida silikon padaseluruh permukaaan irisan silikon.

      Pembukaan jendela dengan menggunakan teknik fotoresisdengan perantaraan pola kisi-kisi (mask) yang akurat.

      Difusi solid-state untuk menciptakan batas luas daerah-daerahtertentu untuk jenis P atau N.

    Gambar 2.108 Memperlihatkan urutan langkah-langkah proses planarpembuatan transistor jenis NPN.dengan keterangan gambar sebagaiberikut:

      Gambar 2.108a, Irisan silicon jenis-N dipotong, ditumpuk, dandipoles secara kimiawi. Diameter irisan berukuran berkisar 25mmsampai 75mm dengan tebal sekitar 0,3mm. Pada irisan yangbesar dapat dibuat beberapa ribu transistor pada waktu yang

    bersamaan

    (a) satu bagian irisan (d) Jendela prosesfotoresis

    (g) Jendela emitor, (h)dan terbentuknya difusi

    N

    (b) Lapisan epitaksial (e) Epitaksial basistipe-p

    (i) Penumbuhan Silicondioksida diatas irisan

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    29/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    245

    (c) lapisan silicon dioksida (f) Silikon dioksidatimbul

    (j) Pelapisan aluminium

    Gambar 2.108 Konstruksi lapisan proses planar transistor .

      Gambar 2.108b, Suatu lapisan epitaksial dari silicon jenis Ndidapatkan pada permukaan irisan. Dalam lapisan epitaksial inilahakan diciptakan bagian-bagian aktif dari transistor. Lapisan ini,

    dengan tipikal tebal sekitar 7m sampai 12m, diendapkandengan jalan meletakan irisan itu dalam atmosfir tetraklorida-silikon pada suhu kira-kira 1200OC.

      Gambar 2.108c , Irisan dipanasi sampai kira-kira 1100OC dalamuap selama 1 sampai 2 jam dan pada permukaan irisan tersebutterbentuk lapisan tipis dioksida silicon. Tebal oksida tipikal adalah

    0,5m sampai 1m.

      Gambar 2.108d , Tahap fotoresis merupakan tahap pelapisanirisan dengan cara diputar memakai film dari bahan pelindung(resist material ) dan dikeringkan dengan membakarnya. Pola(mask) pertama dibuat menyentuh irisan dan ultra-violetdisinarkan pada bagian-bagian fotoresis yang tidak tertutup.Fotoresis yang tidak terkena sinar dihilangkan dengan bahanpengencer dan dioksida silicon yang terbuka terbuang secarakimiaw, dengan meninggalkan “jendela” pada lapisan epitaksial.

     Akhirnya, sisa fotoresis dibuang.

      Gambar 2.108e, Difusi basis adalah suatu ketidakmurnian, dalamhal ini bahan dari boron karena basis harus dari bahan P pertamakali diendapkan pada permukaan irisan lalu didifusikan ke dalam

    silicon melalui jendela yang terbuka dengan memanasi irisan itu didalam suatu tungku pada suhu 1100OC antara 1 jam sampai 2

     jam. Karena difusi solid-state  berjalan lambat, hal ini bertujuanagar supaya mudah dikendalikan sehingga diperoleh hasil yangtepat. Apabila pembuatan basis yang diperlukan sudah selesai,lalu irisan-irisan diambil dari tungku dan sisa-sisa borondihilangkan secara kimiawi dari permukaan.

      Gambar 2.108f , Sekali lagi ditumbuhkan dioksida silicon padaseluruh irisan sampai menutup semua permukaan daerah basisyang baru selesai dibuat.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    30/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    246

      Gambar 2.108g , Jendela emitor ditentukan dengan prosespotoresis melalui pola (mask) kedua. Penting untuk diperhatikanbahwa kedok ini harus diluruskan secara akurat terhadap pola(mask) pertama.

      Gambar 2.108h, Difusi emitor dengan menggunakan fosforsebagai ketidakmurnian

      Gambar 2.108i , Sekali lagi ditumbuhkan dioksida silicon padaseluruh irisan sampai menutup daerah emitor yang baru selesaidibuat.

      Gambar 2.108 j , Proses pembuatan transistor selanjutnya adalahdengan fotoresis ketiga dan tahap masking untuk menentukandaearh-daerah kontak. Kontak dibuat dengan menguapkanaluminium pada daerah-daerah yang terbuka. Sedangkanpermukaan bagian belakang dari irisan akan menjadi daerahkontak kolektor.

      Gambar 2.108k , Setiap transistor pada irisan yang selesai dibuatharus melalui pengujian secara otomatis ( ATE-Automatic TestEquipment ), biasanya transistor yang mengalami kegagalanlangsung dipisahkan dan dibuang. Sedangkan transistor-transistoryang lulus uji test, sesuai dengan ketentuan spesifikasi,dipisahkan dari irisan dengan menandainya memakai jarum-jarumintan dan memecahkannya dalam unit-unit induvidual.

      Gambar 2.108l , Keping-keping ini kemudian dipasang pada suatukepala, biasanya berlapis emas, yang kemudian membentukkontak kolektor. Sambungan-sambungan dibuat ke bagian logambasis emitor, dan kemudian transistor ditutup rapat di dalamkaleng logam atau plastik. Untuk Gambar 2.108k  sampai Gambar2.108l   tidak disertakan

    2.7.8 Transistor Persambungan

    Transistor persambungan yang terbuat dari susunan bahan kristal Silikon

    atau Germanium, untuk jenis transistor bertipe PNP adalah satu lapisanSilikon tipe-N diapit di antara dua lapisan Silikon tipe-P. Sedangkan untuk jenis transistor tipe NPN satu lapisan tipe-P diapit di antara dua lapisankristal tipe-N.

  • 8/18/2019 Persambungan PN

    31/31

    Semikonduktor

    BUKU TEKNI K ELEKTRONIKA TERBITAN PPPPTK/VEDC MALANG

    247

    (a)

    (b) 

    (c)

    Gambar 2.109. Konstruksi fisis transistor-NPN

    Gambar 2.109a memperlihatkan aliran arus elektron dan Gambar 2.109bmemperlihatkan susunan fisik dari transistor tipe-NPN lengkap denganpencatuan masing-masing kaki serta memperlihatkan aliran arusdidalamnya. Sedang Gambar 2.109c memperlihatkan Gambar 2.109b

    secara skematik.