Pada bahan semikonduktor yang kita ketahui pada pembahasan sebelumnya. Terdapat dua buah jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor ekstrinsik tipe N dan tipe P. Keduanya telah dijelaskan pada artikel sebelumnya mengapa dikatakan tipe N dan tipe P. Sebelum melanjutkan kegiatan membaca anda, bantu kami untuk klik gambar di samping.
Pertanyaan yang kemudian muncul adalah jika kedua bahan semikonduktor ini disambungkan maka apa yang akan terjadi. Biasanya, pada device-device elektronik yang menggunakan bahan semikonduktor sebagai bahan penyusunnya terdapat beberapa sambungan. Misalkan pada dioda dan transistor.
Ketika semikonduktor tipe n disambungkan secara tepat dengan semikonduktor tipe p, maka permukaan singgungnya (kontak) disebut semikonduktor sambungan p-n. Kebanyakan piranti semikonduktor terdiri dari satu atau lebih semikonduktor sambungan p-n. Semikonduktor Sambungan p-n tersebut merupakan hal yang sangat penting karena efek suatu unsur kendalu untuk piranti semikonduktor. Pemahaman yang mantap mengenai pembentukan dan sifat-sifat sambungan pn merupakan dasar untuk menguasai piranti semikonduktor. Pembentukan semikonduktro sambungan p-n. Dalam praktek yang sebenarnya, sifat-sifat khas dari semikonduktor sambungan p-n tidak akan kelihatan jelas jika balok tipe p hanya ditempelkan pada balok tipe n. Ternyata semikondutor sambungan p-n difabrikasi dengan tehnik tertentu. Satu cara yang umum untuk membuat semikonduktor sambungan p-n disebut alloying. Pada cara ini. Balok kecil dari indium (impuritas trivalen) ditempatkan pada lapisan germanium tipe n dan selanjutnya sisten itu dipanasi hingga suhu sekitar 500 C. Indium itu dan sebagian germanium meleleh untuk membentuk kubangan kecil dari lelehan campuran germanium-indium. Kemudian suhuditurunkan dan kubangan mulai memadat. Di bawah kondisi yang tepat, atom-atom impuritas indium akan mengatur diri di dalam lapisan germanium untuk membentuk
kristal tunggal. Penambahan indium akan mengatasi kelebihan elektron di dalam germanium tipe n sampai sedemikian luas hingga terbentuk daerah tipe p. Ketika proses itu terus berlangsung, campuan leburan tersisa menjadi makin bertambah gemuk dengan indium. Ketika seluruh germanium telah mengendap kembali, maka bahan tersisa muncul sebagai tombol (gundukan) indium yang dibekukan pada permukaan luar dari bagian yang dikristalkan. Tombol ini berperan sebagai landasan untuk menyoldir kakinya. Perhatikan ilustrasi urutan alloying itu pada gambar berikut.
Sifat-sifat Sambungan p-n
Untuk menjelaskan sifat-sifat semikonduktor sambungan p-n, pikirkan dua tipe bahan, masingmasing tipe p dan tipe n seperti pada gambar berikut. Bahan sebelah kiri adalah semikonduktor tipe p yang memiliki ion akseptor negatif (atom impuritas akseptor kekurangan satu elektron dan menjadi ion negatif) dan lubang bermuatan positif. Bahan sebelah kanan adalah semikonduktor tipe n dengan ion donor positif (atom impuritas donor menyumbangkan satu elektron kepada kristal dan menjadi ion positif) dan elektron bebas.
Sekarang, anggap kedua keping di atas diperlakukan untuk membentuk semikonduktor sambungan p-n. Pikirkan bahwa bahan tipe n mempunyai konsentrasi elektron bebas yang tinggi sedangkan bahan tipe p memiliki konsentrasi lubang yang tinggi. Karena itu pada sambungan terjadi kecenderungan elektron bebas berdifusi ke sisi p dan lubang ke sisi n.
Ketika elektron bebas bergerak menyeberang sambungan dari tipe n ke tipe p, maka ion donor positif terbuka yaitu bahwa mereka diambil elektron bebasnya. Sehingga muatan positif terbentuk pada sisi n dari persambungan. Pada saat yang sama, lubang bebas menyeberangi persambungan dan membuka ion akseptor negatif dengan pengisian di dalam lubang. Karena itu muatan negatif bersih terbentuk pada sisi p dari persambungan. Ketika ion-ion donor dan akseptor dalam jumlah yang cukup telah terbuka, maka difusi selanjutnya dicegah. Ini disebabkan karena muatan positif pada sisi n menolak lubang yang menyeberang dari tipe p ke tipe n dan muatan negatif pada sisi p menolah elektron
bebas masuk dari tipe n ke tipe p. Kemudian terbentuk penghalang yang melawan gerakan pembawa muatan selanjutnya yakni lubang dan elektron. Penghalang ini disebut penghalang potensial atau penghalang persambungan Vo. Penghalang potensial itu dalam orde 0,1 volt atau 0,3 volt. Diagram di atas menunjukkan distribusi potensial. Jelas dari diagram bahwa penghalang potensial Vo yang terjadi akan memunculkan medan listrik. Medan ini mencegah penyeberangan daerah penghalang masing-masing pembawa mayoritas. Selanjutnya dapat dikatakan bahwa di luar penghalang pada sisi persambungan bahan tersebut adalah netral. Hanya di dalam penghalang ada muatan positif pada sisi n dan muatan negatif pada sisi p. Daerah ini disebut sebagai lapisan pengosongan. Disebut demikian karena pembawa muatan yang mudah bergerak (elektron bebas dan lubang) telah dikosongkan di daerah ini.
Pemasangan Tegangan Menyilang Sambungan p-n
Suatu beda potensial yang menyilang semikonduktor sambungan p-n dapat dilakukan dengan dua cara, sebutlah dengan bias (panjar) maju dan bias (panjar) mundur. Ketika tegangan luar dikenakan pada persambungan dalam arah yang menghilangkan penghalang potensial yang memungkinkan arus mengalir disebut bias maju (forward bias). Untuk memasang bias maju, hubungkan terminal positif baterei ke tipe p dan terminal negatif ke tipe n. Pemasangan potensial maju ini membangun medan listrik yang bekerja melawan medan penghalang potensial. Sehingga medan resultan diperlemah dan tinggi penghalang pada persambungan menjadi berkurang. Untuk tegangan potensial penghalang yang sangat kecil (0,1 volt hingga 0,3 volt), maka tegangan maju kecil telah cukup untuk menghilangkan secara total penghalang itu. Ketika penghalang potensial hilang oleh tegangan maju, maka resistansi persambungan menjadi hampir nol dan lintasan resistansi rendah terbentuk pada seluruh rangkaian. Sehingga arus mengalir dalam rangkaian tersebut. Ini disebut sebagai arus maju. Dengan bias maju pada persambungan p-n, hal-hal berikut sangat berharga untuk diperhatikan :
a. Penghalang potensial diperkecil dan pada sutau tegangan maju (0,1 volt hingga 0,3 volt), maka penghalang tersebut hilang sama sekali.
b. Persambungan memberikan resistansi rendah (disebut resistansi maju, R) untuk aliran
arus.
c. Arus yang mengalir dalam rangkaian itu terkait dengan terbentuknya lintasan resistansi rendah. Besar dari arus tersebut bergantung pada tegangan maju yang dikenakan. Sebagai ilustrasi pemasangan bias maju, maka perhatikan gambar berikut.
Kesimpulan. Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa dengan bias mundur pada persambungan, maka terbentuk lintasan resistansi tinggi sehingga tidak terjadi aliran arus. Sebaliknya, dengan bias maju pada persambungan, maka terbentuklah lintasan resistansi rendah sehingga arus mengalir dalam rangkaian.
Baca Juga : Pengertian Higs Bosson
Aliran Arus dalam Sambungan p-n yang Dikenai Bias Maju
Sekarang akan kita lihat bagaimana aliran arus yang menyeberangi sambungan p-n ketika dipasang bias maju. Di bawah pengaruh tegangan maju, maka elektron-elektron bebas pada tipe n bergerak menuju persambungan meninggalkan atom-atom bermuatan positif (ingat bahwa terminal negatif baterei dihubungkan dengan tipe n, sehingga menolak elektron bebas dalam tipe n menuju persambungan). Tetapi banyak elektron yang datang dari terminal negatif baterei dan masuk daerah n untuk mengambil tempattempat
mereka. Ketika elektron-elektron bebas itu mencapai persambungan, mereka menjadi elektron-elektron valensi (lubang ada dalam ikatan kovalen., ketika elektron bebas berkombinasi dengan lubang maka ia menjadi elektron valensi). Sebagai elektron valensi, mereka bergerak melalui lubang-lubang di daerah p. Elektron valensi bergerak ke kiri dalam daerah p yang ekivalen dengan lubang yang bergerak ke kanan. Ketika elektronvalensi mencapai ujung kiri kristal, mereka mengalir ke dalam terminal positif baterei. Perhatikan elustrasi pada gambar berikut.
Mekanisme aliran arus pada sambungan p-n yang dikenai bias maju dapat dirangkum
seperti berikut :
a. Elektron bebas dari termunal negatif terus menerus mengalir ke dalam daerah n sedangkan elektron bebas pada daerah n bergerak menuju persambungan.
b. Elektron-elektron itu menjalar melalui daerah n sebagai elektron bebas, yaitu arus pada daerah n oleh elektron bebas.
c. Ketika elektron-elektron ini mencapai persambungan mereka berkombinasi dengan lubang dan menjadi elektron valensi.
d. Elektron-elektron itu menjalar melalui daerah p sebagai elektron valensi, yaitu bahwa arus pada daerah p oleh lubang.
e. Ketika elektron-elektron valensi ini mencapai ujung kiri kristal, maka mereka mengalir ke dalam terminal positif baterei.
Berdasarkan hal-hal yang telah dikemukakan di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam daerah n, arus dibawa oleh elektron bebas. Sedangkan dalam daerah p, arus dibawa oleh lubang. Tetapi dalam kawat sambungan di luar, arus dibawa oleh elektron.
Watak Volt-Ampere pada Sambungan p-n
Watak Volt-Ampere atau V-I dari semikonduktor sambungan p-n (juga disebut dioda kristal atau dioda semikonduktor) merupakan kurva antara tegangan yang menyilang pada sambungan dan arus rangkaian itu. Biasanya, tegangan diambil sepanjang sumbu-x dan arus sepanjang sumbu-y. Gambar berikut memperlihatkan susunan rangkaian untuk menentukan watak V-I dari sambungan p-n. R merupakan resistor pembatas arus yang mencegah arus maju melebihi nilai yang diperbolehkan.
Watak V-I tersebut dapat dipelajari melalui tiga bagian, sebutlah tegangan luar nol, bias
maju, dan bias mundur.
a. Tegangan luar nol. Ketika tegangan luar nol, yakni rangkaian terbuka pada K, penghalang potensial pada persambungan tidak mengijinkan arus mengalir. Sehingga arus ranglaian nol dan ditunjukkan oleh titik O.
b. Bias maju. Dengan bias maju pada persambungan p-n, yakni tipe p dihubungkan dengan terminal positif dan tipe n dihubungkan dengan terminal negatif, maka potensial penghalang ditiadakan. Pada suatu harga tegangan maju (0,7 volt untuk Si dan 0,3 volt untuk Ge), maka potensial penghalang itu seluruhnya dihilangkan dan arus mulai mengalir di dalam rangkaian. Dari keadaan ini makin maju, maka arus meningkat dengan kenaikan tegangan maju. Kemudian, kenaikan kurva OB diperoleh dengan pemberian bias maju. Dari watak bias maju ini terlihat bahwa yang pertama (daerah OA), arus meningkat dengan sangat lambat dan kurva tidak linier. Ini disebabkan karena tegangan yang dikenakan digunakan untuk mengatasi penghalang potensial. Tetapi ketika tegangan luar melebihi tegangan penghalang potensial, maka semikonduktor sambungan p-n berkelakuan seperti konduktor biasa. Karenanya arus meningkat sangat tajam dengan kenaikan tegangan luar (daerah AB pada kurva). Pada daerah ini kurva watak hampir linier.
c. Bias Mundur. Dengan bias mundur pada sambungan p-n, yaitu tipe p dihubungkan dengan terminal negatif dan tipe n dihubungkan dengan terminal positif, penghalang potensial pada persambungan meningkat. Karena itu resistansi persambungan menjadi sangat tinggi dan secara praktis tidak ada arus yang mengalir melalui rangkaian itu. Tetapi dalam praktek, arus yang sangat kecil (dalam orde mA) mengalir di dalam rangkaian dengan bias mundur seperti ditunjukkan pada watak mundur (balik). Ini disebut sebagai arus mundur (balik) yang terkait dengan pembawa minoritas. Perlu diingat bahwa ada beberapa elektron bebas pada bahan tipe p dan beberapa lubang pada bahan tipe n. Elektron bebas pada tipe p dan lubang pada tipe n yang tidak diinginkan ini disebut pembawa minoritas. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar berikut, pada pembawa minoritas ini, bias balik yang dikenakan nampak sebagai bias maju. Karena itu arus kecil mengalir dalam arah balik. Arus balik meningkat terhadap tegangan balik tetapi secara umum dapat diabaikan ketika mengabaikan kisaran tegangan kerja yang berlebihan.
Jika tegangan balik dinaikkan secara kontinyu, energi kinetik elektron (pembawa minoritas) menjadi cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron-elektron dari atom-atom semikonduktor. Pada tahap terjadi kedadalan (breakdown) di persambungan, yang ditunjukkan adanya kenaikan yang mendadak dari arus balik dan resistansinya jatuh secara mendadak pada daerah penghalang. Keadaan ini dapat merusak persambungan secara permanen. Perlu diingat bahwa arus maju yang melewati sambungan p-n terkait dengan pembawa mayoritas yang dihasilkan oleh impuritas. Tetapi arus balik terkait dengan pembawa minoritas yang dihasilkan berkenaan dengan kerusakan beberapa ikatan kovalen pada suhu kamar.
Unknown
Elektronika,
Semikonduktor
