Tingkat Energi, Bahan Ekstrinsik n- dan p-type
1. Tujuan
[back]1. Memahami pengertian tingkat energi, bahan ekstrinsik tipe-n dan tipe-p
2. Mengetahui persamaan yang berhubungan dengan tingkat energi, bahan ekstrinsik tipe-n dan tipe-p
3. membuat rangkaian dari bahan ekstrinsik tipe-n dan/atau tipe-p
2. Alat dan Bahan
[back]Alat :
1) Alternator
Alternator adalah peralatan elektromekanis yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik arus bolak-balik.
Bahan :
1) resistor
Resistor adalah komponen dasar elektronik yang berfungsi untuk membatasi atau menghambat aliran listrik yang melewati suatu rangkaian. Resistor bekerja berdasarkan hukum Ohm, yang mana hukum Ohm itu sendiri Berbunyi, "Bahwa resistensi akan berbanding terbalik dengan jumlah arus yang melaluinya". Maka untuk menyatakan besaran resistensi dari sebuah resistor maka dinyatakan dalam satuan Ohm dan dilambangkan dengan Ω (Omega).
2) dioda
Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya
3) saklar
Sakelar adalah sebuah perangkat yang digunakan untuk memutuskan jaringan listrik, atau untuk menghubungkannya. Jadi saklar pada dasarnya adalah alat penyambung atau pemutus aliran listrik. Selain untuk jaringan listrik arus kuat, saklar berbentuk kecil juga dipakai untuk alat komponen elektronika arus lemah.
3. Dasar Teori
[back] 1.4 TINGKAT ENERGI
Dalam struktur atom yang terisolasi terdapat tingkat energi diskrit (individu) yang terkait dengan setiap elektron yang mengorbit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.8a. Faktanya, setiap bahan memiliki rangkaian tingkat energi yang diizinkan untuk elektron dalam struktur atomnya.
Semakin jauh elektron dari inti, semakin tinggi tingkat energinya, dan setiap elektron yang meninggalkan atom induknya memiliki tingkat energi yang lebih tinggi daripada elektron mana pun dalam struktur atom.
Di antara tingkat energi diskrit terdapat celah di mana tidak ada elektron dalam struktur atom yang terisolasi dapat muncul. Ketika atom suatu bahan disatukan untuk membentuk struktur kisi kristal, ada interaksi antara atom yang akan menghasilkan elektron di orbit tertentu dari satu atom yang memiliki tingkat energi yang sedikit berbeda dari elektron di orbit yang sama dari sebuah atom yang berdampingan. atom. Hasil akhirnya adalah perluasan dari tingkat diskrit status energi yang mungkin untuk elektron valensi ke pita seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.8b. Perhatikan bahwa ada tingkat batas dan keadaan energi maksimum di mana setiap elektron dalam kisi atom dapat menemukan dirinya sendiri, dan tetap ada daerah terlarang antara pita valensi dan tingkat ionisasi.
Ingat bahwa ionisasi adalah mekanisme di mana elektron dapat menyerap energi yang cukup untuk melepaskan diri dari struktur atom dan memasuki pita konduksi. Anda akan mengetahui bahwa energi yang terkait dengan setiap elektron diukur dalam elektron volt (eV). Satuan ukuran tepat, karena
seperti yang diturunkan dari persamaan yang menentukan untuk tegangan V = W / Q. Muatan Q adalah muatan yang terkait dengan satu elektron.
Mengganti muatan elektron dan beda potensial 1 volt ke persamaan (1.2) akan menghasilkan tingkat energi yang disebut sebagai satu elektron volt. Karena energi juga diukur dalam joule dan muatan satu elektron 1,6 x 10^-19 koulomb ,
Pada 0 K atau nol mutlak (-273,15 ° C), semua elektron valensi bahan semikonduktor menemukan diri mereka terkunci di kulit terluar atom dengan tingkat energi yang terkait dengan pita valensi pada Gambar 1.8b. Namun, pada suhu kamar (300 K, 25 ° C) sejumlah besar elektron valensi telah memperoleh energi yang cukup untuk meninggalkan pita valensi, melintasi celah energi yang ditentukan oleh Egin Gambar 1.8b dan memasuki pita konduksi. Untuk silikon Egis 1.1 eV, untuk germanium 0.67 eV, dan untuk galliumarsenide 1.41 eV. Egfor germanium yang jelas lebih rendah menyebabkan peningkatan jumlah pembawa dalam bahan itu dibandingkan dengan silikon pada suhu kamar. Perhatikan untuk isolator bahwa celah energi biasanya 5 eV atau lebih, yang sangat membatasi jumlah elektron yang dapat memasuki pita konduksi pada suhu kamar. Konduktor memiliki elektron dalam pita konduksi bahkan pada 0 K. Jelas sekali, pada suhu kamar terdapat lebih dari cukup pembawa bebas untuk menopang aliran muatan, atau arus yang besar.
Kita akan menemukan di Bagian 1.5 bahwa jika pengotor tertentu ditambahkan ke bahan semikonduktor intrinsik, status energi di pita terlarang akan terjadi yang akan menyebabkan pengurangan bersih Eg untuk kedua bahan semikonduktor — akibatnya, kepadatan pembawa meningkat di pita konduksi pada suhu kamar!
1.5 BAHAN EKSTRINSIK - n- DAN p-TYPE
Karakteristik bahan semikonduktor dapat diubah secara signifikan dengan menambahkan atom pengotor tertentu ke dalam bahan semikonduktor yang relatif murni. Pengotor ini, meskipun hanya ditambahkan ke mungkin saya bagian dari 10 juta, dapat mengubah struktur pita secukupnya untuk benar-benar mengubah sifat listrik material.
A. Bahan semikonduktivitas yang telah tunduk pada prosedur doping disebut bahan ekstrinsik materil.
Ada dua bahan ekstrinsik yang kepentingannya tak terukur untuk fabrikasi perangkat semikonduktor: tipe-n dan tipe-p. Masing-masing akan dijelaskan secara mendetail di paragraf berikut.
Material Tipe-n
Baik material tipe-n maupun p dibentuk dengan menambahkan sejumlah atom pengotor yang telah ditentukan ke dalam buse germanium atau silikon. Tipe-n dibuat dengan memasukkan unsur-unsur pengotor yang memiliki lima elektron valensi (pentavalen), seperti antimoni, arsenie, dan fosfor. Efek dari elemen pengotor tersebut ditunjukkan dalam.
Gambar 1.9 (menggunakan antimon sebagai pengotor dalam basis silikon). Perhatikan bahwa empat ikatan kovalen masih ada. Ada, bagaimanapun, listrik kelima tambahan karena atom pengotor, yang terkait dengan ikatan covaleat tertentu. elektron utama, yang terikat longgar dengan atom induknya (antimon), relatif bebas bergerak di dalam bahan tipe-n yang baru terbentuk. Karena atom pengotor yang dimasukkan telah menyumbangkan elektron yang relatif "bebas" ke struktur:
Pengotor terdifusi dengan lima aliran valensi yang disebut atom donar.
Penting untuk disadari bahwa meskipun sejumlah besar pembawa "bebas" telah terbentuk dalam bahan tipe-n, ia masih netral secara elektrik karena idealnya jumlah proton bermuatan positif di inti tetap sama dengan jumlah "bebas" dan trbiting elektron bermuatan negatif dalam struktur.
Efek dari proses doping ini pada konduktivitas relatif paling baik dijelaskan melalui penggunaan diagram pita energi pada Gambar 1.10. Perhatikan bahwa tingkat energi diskrit (diambil tingkat donor) muncul di pita terlarang dengan E, jauh lebih kecil daripada materi intrinsik. Elektron "bebas" yang disebabkan oleh kemurnian tambahan berada pada tingkat energi ini dan memiliki lebih sedikit kesulitan menyerap energi panas yang cukup untuk pindah ke pita konduksi pada suhu kamar. Hasilnya adalah bahwa pada temperatur ruangan terdapat mmber pembawa (elektron) yang besar pada level Konduksi dan konduktivitas material meningkat secara signifikan. Pada suhu kamar dalam bahan Si intrinsik ada sekitar satu elektron bebas untuk setiap 10 "atom (I sampai 10" untuk Ge). Jika tingkat dosis kita adalah I dalam 10 juta (10 '), rasio (10/10 = 10) akan menunjukkan bahwa konsentrasi pembawa telah meningkat dengan rasio 100,0X00: 1.
Bahan Tipe-P
Bahan tipe-p dibentuk dengan doping kristal germanium atau silikon murni dengan atom pengotor yang memiliki tiga elektron valensi. Unsur yang paling sering digunakan untuk tujuan ini adalah bonm, gallium, dan indiam. Efek dari salah satu elemen ini. boran, di atas dasar silikon ditunjukkan pada Gambar. 1.11.
Perhatikan bahwa sekarang terdapat jumlah elektron yang tidak mencukupi untuk menyelesaikan ikatan kovalen dari kisi yang baru terbentuk. Kekosongan yang dihasilkan disebut lubang dan diwakili oleh cirele yang sama ar tanda positif karena tidak adanya muatan negatif. Karena kekosongan yang dihasilkan akan dengan mudah menerima elektron "bebas":
Pengotor yang tidak terpakai dengan tiga riektron valensi disebut atam akseptor.
Bahan tipe-p yang dihasilkan adalah netral secara elektrik, untuk alasan asap yang dijelaskan untuk material tipe-n.
Aliran Elektron versus Lubang
Kecerdasan batang pada konduksi ditunjukkan pada Gambar 1.12. Jika elektron valensi ac memerlukan energi kinetik yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalennya dan mengisi kekosongan yang dibuat oleh sebuah lubang, maka akan tercipta kekosongan atau lubang dalam ikatan kovalen yang melepaskan elektron tersebut. Oleh karena itu, terjadi perpindahan lubang ke kiri dan elektron ke kanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.12. Arah yang akan digunakan dalam teks ini adalah aliran konvensional, yang ditunjukkan dengan arah lubang cacat.
Pembawa Mayoritas dan Minoritas.
Dalam keadaan intrinsik, jumlah elektron bebas di Ge atau Si hanya disebabkan oleh beberapa elektron di pita valensi yang telah memperoleh energi yang cukup dari sumber panas atau cahaya untuk memutus ikatan kovalen atau beberapa pengotor yang tidak bisa dipindahkan. Kekosongan yang tertinggal dalam struktur ikatan kovalen menunjukkan suplai Ioles yang sangat terbatas. Dalam material tipe, jumlah lubang tidak berubah secara signifikan dari tingkat intrinsik ini. Oleh karena itu, hasil akhirnya adalah bahwa jumlah elektron jauh lebih banyak daripada jumlah lubangnya, Jauh alasan ini:
Dalam bahan tipe-n (Gambar 1.13a) elektron disebut pembawa mayoritas dan hole pembawa minoritas.
Untuk bahan tipe-p, jumlah lubangnya jauh melebihi jumlah elektronnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.13b. Karena itu:
Dalam bahan tipe-p, lubang adalah pembawa mayoritas dan elektron adalah pembawa minoritas.
Ketika elektron kelima dari atom donor meninggalkan atom induknya, atom yang tersisa memperoleh muatan positif bersih: karena itu tanda positif dalam representasi ion donor.
Untuk alasan yang sama, tanda negatif muncul di ion akseptor. Material tipe n dan p mewakili blok bangunan dasar dari perangkat semikonduktor. Kita akan menemukan di bagian selanjutnya bahwa "penggabungan" dari material tipe-n tunggal dengan material tipe-p akan menghasilkan elemen semikonduktor yang sangat penting dalam sistem elektronik.
Example
I. Example 1.1
Tentukan level resistansi dc untuk dioda pada Gambar 1.26 di
Solusi
(dari kurva) dan
II. Example 1.2
Untuk karakteristik Gambar 1.29:
(a) Tentukan resistansi ac pada ID = 2 mA.
(b) Tentukan resistansi ac pada ID = 25 mA.
(c) Bandingkan hasil bagian (a) dan (b) dengan resistansi dc pada setiap level arus.
Solusi [back]
(a)
Untuk ID = 2 mA; garis singgung pada ID = 2 mA digambar seperti yang
ditunjukkan pada gambar dan ayunan 2 mA di atas dan di bawah arus dioda
yang ditentukan dipilih. Pada ID = 4 mA, VD = 0,76 V, dan pada ID = 0
mA, VD = 0,65 V. Perubahan arus dan tegangan yang dihasilkan adalah
(b)
Untuk ID = 25 mA, garis singgung pada ID= 25 mA digambar seperti yang
ditunjukkan pada gambar dan ayunan 5 mA di atas dan di bawah arus dioda
yang ditentukan dipilih. Pada ID= 30 mA, VD= 0.8 V, dan pada ID= 20 mA
VD= 0.78 V. Perubahan arus dan tegangan yang dihasilkan adalah
dan resistansi ac
(c) Untuk ID = 2 mA, VD = 0,7 V dan
yang jauh melebihi rd 27.5ohm.
Untuk ID = 25 mA, VD = 0,79 V dan
yang jauh melebihi rd 2 ohm
Problem
1.4 Tingkat Energi
9. Berapa banyak energi dalam joule yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan 6 C melalui perbedaan potensial 3 V?
jawaban :
V = W/q
W = V.q
= 3 V . 6 C
= 18 J
1.5 Material Ekstrinsik tipe-n dan tipe-p
12. Jelaskan perbedaan antara bahan semikonduktor tipe-n dan tipe-p
jawaban :
Tipe-N
Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.
Semikonduktor jenis-n → jika bertemu pengotor dari golongan VA, electron sebagai pembawa
mayoritas. Ada electron donor yang dekat dengan pita konduksi (di bawah sedikit).
Tipe-P
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.
Semikonduktor jenis-p → jika bertemu pengotor dari golongan IIIA, lubang sebagai pembawa mayoritas. Ada lubang akseptor yang dekat (di atas sedikit) dari pita valensi.
13. Jelaskan perbedaan antara pengotor donor dan akseptor.
jawaban :
|
Kotoran Donor vs Akseptor |
|
|
Kotoran donor adalah elemen yang ditambahkan ke donor untuk meningkatkan konduktivitas listrik dari donor itu. |
Pengotor akseptor adalah elemen yang ditambahkan ke akseptor untuk meningkatkan konduktivitas listrik akseptor tersebut. |
|
Kotoran Umum |
|
|
Elemen Grup V. |
Elemen kelompok III |
|
Contoh Kotoran |
|
|
Arsen (As), fosfor (P), bismut (Bi), dan antimon (Sb). |
Aluminium (Al), boron (B), dan gallium (Ga) |
|
Proses |
|
|
Tingkatkan elektron bebas dalam semikonduktor. |
Tingkatkan lubang yang ada di semikonduktor. |
|
Elektron Valensi |
|
|
Atom memiliki lima elektron valensi. |
Atom memiliki tiga elektron valensi. |
|
Ikatan kovalen |
|
|
Membentuk empat ikatan kovalen di dalam semikonduktor, meninggalkan elektron kelima sebagai elektron bebas. |
Membentuk tiga ikatan kovalen di dalam semikonduktor, meninggalkan lubang di mana ikatan kovalen hilang. |
Multiple Choice
1. Apabila elektron berada pada lintasan ketiga maka energinya sebesar....
A. -2,57 eV
B. -2,51 eV
C. -1,67 eV
D. -1,21 eV
pembahasan :
E = -13,6 eV/n^2
= -13,6 eV/3^2
= -1,51 eV
2. Urutkan unsur C - Ge - Sn - Si, sesuai dengan besar sela energi paling besar ke kecil yang benar....
A. C - Ge - Sn - Si
B. Sn - Ge - Si - C
C. C - Si - Ge - Sn
D. Sn - Si - Ge - C
4. Prinsip Kerja Rangkaian
[back]Arus yang dihasilkan oleh alternator berupa arus bolak balik atau arus AC yang kemudian masuk ke dioda, dioda akan meneruskan arus dari anoda ke katoda dan memutus arus dari sebaliknya. sehingga arus yang masuk ke resistor berupa arus dc. resistor disini akan mem[erkecil tegangan yang diberikan ke led sehingga led dapat hidup. selanjutnya akan diteruskan ke ground.
5. Gambar Rangkaian[back]
 |
| rangkaian |
 |
| bentuk gelombang |
6. Video[back]
Tidak ada komentar:
Posting Komentar