Top Banner

of 21

Sambungan Pn

Feb 25, 2018

Download

Documents

Sofia Sofia
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    1/21

    SAMBUNGAN P-N

    Struktur Dasar Sambungan p-n

    Secara skematik sambungan p-n diperlihatkan pada gambar 1-a. perlu disadari

    bahwa kedua sisi semikonduktor terbuat dari kristal tunggal dimana satu sisi dikotori

    dengan atom akseptor membentuk daerah tipe-p dan sisi yang lain dikotori dengan

    atom donor membentuk daerah tipe-n.

    Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah semikonduktor terjadi

    perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 1-a kanan) memiliki sejumlah elektron yang

    akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom

    akseptor menarik elektron (menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas

    tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan.

    Pada proses ini terjadi diusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan diusi lubang dari tipe-

    p ke tipe-n (gambar 1-b).

    Proses diusi ini tidak akan berlangsung selamanya karena elektron yang sudah

    berada ditempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses diusi

    berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir. Kita

    harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberangi

    sambungan. !aerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi ataudaerah transisi. !aerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat

    terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang elektron. Salah

    satu pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p akan mengalami

    pengaruh dari proses penolakan elektron diusi dari tipe-n. !engan kata lain elektron

    minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. "erakan pembawa muatan

    akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai #drit$. Situasi ini akan stabil

    saat arus diusi sama dengan arus drit.

    Pada daerah sambungan atau daerah deplesi yang sangat tipis terjadi

    pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya diusi ke sisi yang lain.

    %ilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan

    positi di daerah tipe-n dan lapisan muatan negati di daerah tipe-p (gambar 1-c).

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    2/21

    Gambar 1. Penyambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n& a) Saat mulai

    disambungkan, b) proses diusi dan aliran arus drit, dan c) 'erbentuknya lapisan

    deplesi

    apisan muatan pada daerah deplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor

    keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan

    pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai

    potensial kontak atau potensial penghalang b(gambar 1-c). keadaan ini disebut dioda

    dalam keadaan rangkaian terbuka.

    !alam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihatkan pada gambar 1-c,

    hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi

    dan daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi

    mengakibatkan terjadinya medan listrik dalam arah *+. dalam keadaan

    kesetimbangan besarnya arus elektron (drit dan diusi) sama dengan nol.

    JP=Jp(drift)+Jp (difusi )=0 (1)

    Jp=q pp Exq Dpdp

    dx=0

    ()

    !engan

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    3/21

    Ex=1

    q

    d Ex

    dx danDp=

    p kT

    q

    ()

    Jp=p(p d EI

    dxkTdp

    dx )=0

    ()

    Sehingga

    Jp=ppd E f

    dx=0 (/)

    0ntuk sambungan n juga sama

    Jn=nnd E f

    dx=0 ()

    !imanaJp adalah kerapatan arus (23cm), 4 adalah muatan,

    p /p adalah

    mobilitas hole3elektron (cm3m), P dalah konsentrasi hole, n adalah konsentrasi

    elektron, 5 adalah medan listrik, !p adalah koeisien diusi, + adalah posisi.

    Potensial barrier3potensial kontak (b) terjadi karena ketidak seimbangan atau

    ketidakstabilan antara hole dalam material tipe-p dan elektron dalam material tipe-n.

    6ika electron bebas itu memiliki energi yang cukup besar, ia dapat membantu dinding

    tersebut dan memasuki daerah p, dimana ia akan jatuh kedalam hole dan

    menciptakan ion negati7e yang lain. Kekuatan dari lapisan kosong terus bertambah

    besar dengan semakin banyaknya electron yang menyeberang sampai suatu

    keseimbangan tercapai. Pada keadaan ini terjadi penolakan dalam (internal

    repultion). !ari lapisan kosong akan menghentikan diusi lebih lanjut dari electron

    bebas melalui junction. 8eda potensial pada lapisan kosong disebut dengan Potensial

    8arrier.9umus energi potensial barier dapat ditulis&

    E=q Vbi (7)

    !iagaram potesial barier adalah sebagai berikut &

    Gambar 2.!iagram potensial barier

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    4/21

    5nergi elektron

    akan bernilai positi ketika naik pada diagram le7el energi sehingga elektron

    potensial akan bernilai positi ketika turun. 5nergi dan potensial hole selalu

    bernilai positi pada arah yang berlawanan dengan elektron.

    Sehingga dapat dirmuskan

    q Vb=(EiE f) (:)

    Vp=kT

    q ln

    NA

    ni (;)

    Sama untuk pada bagian n

    Vn=kT

    q ln

    ND

    ni

    (1

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    5/21

    Sambungan p-n pada kesetimbangan termal

    Gambar 3. Sambungan p-n pada kesetimbangan termal

    =ekanisme jalannya arus

    Pembawa diusi menyebabkan elektron berada pada daerah deplesi

    2rus drit menyebabkan timbulnya medan listrik di daerah deplesi

    2rus diusi adalah pembawa mayoritas

    2rus drit adalah pembawa minoritasKesetimbangan sambungan p-n

    Model Pita nergi Sambungan p-n

    !engan melihat bentuk pita energi sambungan p-n kita akan lebih mudah untuk

    memahami siat dasar dan mekanisme transportasi pembawa muatan pada daerah

    sambungan. "ambar -a memperlihatkan diagram pita energi untuk semikonduktor

    tipe-p dan tipe-n sebelum terjadi penyambungan (perhatikan dimana posisi energi

    >ermi masing-masing material). !alam keadaan kesetimbangan termal setelah terjadi

    penyambungan, maka tingkat energi >ermi kedua material akan sama (segaris) seperti

    diperlihatkan pada gambar -b.

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    6/21

    Gambar !.!iagram pita energi& a) Semikonduktor tipe-p dan tipe-n dan b)

    Setelah kedua jenis semikonduktor disambungkan.

    Gambar ".Karakteristik pada daerah sambungan p-n& a) !istribusi muatan

    ruang, b) !istribusi medan listrik, dan c) !istribusi potensial elektrostatik.

    Kita akan menghitung distribusi potensial elektrostatik pada daerah sambungan

    dengan melihat distribusi muatan ruang (gambar /-a) dan menggunakan persamaan

    Poisson pada daerah < ? + ? dnsebagai

    d

    dx=+q ND

    0

    (1)

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    7/21

    dimana dan o(biasanya ditulis o@ s) masing-masing adalah konstanta dielektrik

    relati bahan dan dalam 7akum. !engan mengintegralkan persamaan 1 diperoleh

    =q ND

    0x+Cn (1)

    dan untuk *dp? + ? < diperoleh

    =q NA

    0x+CP (1)

    dimana Andan Apadalah konstanta integrasi. Pada persamaan 1 dan 1 terdapat dua

    kondisi ekstrim, yaitu& i) @ mpada + @

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    8/21

    elektrostatik dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan 1B dan 1:. 0ntuk , dan saat dikenakan panjar mundur potensial elektrostatik akan bertambah

    menjadi bE9. !engan demikian persamaan / harus dimodiikasi menjadi

    nn=np eq(VbV)/kT

    (B)

    !imana nndan npadalah kerapatan electron pada perbatasan daerah deplesi tidak

    dalam keadaan kesetimbangan pada sisi tipe-n dan sisi tipe-pI berharga positi

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    16/21

    untuk panjar maju dan negati untuk panjar mundur. 0ntuk arus injeksi-rendah,

    kerapatan pembawa muatan minoritas injeksi lebih rendah dibandingkan dengan

    kerapatan pembawa muatan mayoritas, jadi nn @ nno. !engan kondisi ini subtitusi

    persamaan / ke persamaan B akan memberikan kerapatan elektron pada perbatasan

    daerah deplesi pada sisi tipe-p (+ @ -dp) sebagai&

    np=npo eqV/ kT

    (:)

    atau

    npnpo=npo(eqV

    kT1) (;)

    untuk hal yang sama kita peroleh

    pn=pno eqV/ kT

    (

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    17/21

    pnpno=pno(eqV

    kT1)e1(xdx)/!p ()

    dimana p@ Dpp adalah panjang diusi lubang (pembawa minoritas) pada daerah

    tipe-n. Pada + @ dnberlaku

    Jn(dn)=q Dnd npdx

    dp=q Dn npo

    !n(e

    qV

    kT1) ()

    hal yang sama untuk daerah tipe-p diperoleh

    npnpo=npo(eqV

    kT1)e(x+dp)/!p (/)

    !an

    Jn(dp)=q D nd npdxdp=

    q Dn npo!n

    (eqVkT1) ()

    !imana n @ Dnn adalah panjang diusi electron. Pembawa muatan

    minoritas (persamaan dan /) diperlihatkan pada bagian tengah gambar 1. Pada

    graik terlihat terjadinya rekombinasi antara pembawa muatan minoritas terinjeksi

    dengan pembawa muatan mayoritas. 2rus lubang dan electron diperlihatkan pada

    gambar 1 bagian bawah. 8esarnya arus lubang dan elektron pada perbatasan

    berturut-turut diberikan oleh persamaan dan . 2rus diusi lubang mengalami

    penurunan secara eksponensial pada daerah tipe-n dengan panjang diusi sebesar p,

    dan arus diusi electron mengalami penurunan secara eksponensial pada daerah tipe-p

    dengan panjang diusi sebesar n.

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    18/21

    Gambar 12. !istribusi pembawa muatan minoritas terinjeksi dan arus electron

    dan arus lubang& a) Panjar maju dan b) Panjar mundur

    8esarnya arus total adalah konstan dan merupakan jumlah arus lubang dan arus

    elektron (persamaan dan )&

    J=Jp(dn )+Jn (dp )=Js(eqV

    kT1) (B)

    !engan

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    19/21

    Js=q DPpn0

    !P+

    q Dn npo

    !n

    (:)

    !imana 6s adalah kerapatan arus jenuh. Persamaan B adalah bentukpersamaan diode ideal. Karakteristik arus tegangan ideal diperlihatkan pada gambar

    1. Pada bagian panjar maju dengan panjar positi pada bagian tipe-p, untuk

    k'34, kenaikan arus berharga konstan seperti diperlihatkan pada gambar 1

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    20/21

    Gambar 13.Karakteristik ideal arus-tegangan& a) !alam skala linier dan b) !alam

    skala semilogaritmik.

    DA/*A0 PUS*A$A

    2nonymous. 'anpa 'ahun. 2plikasi 'enaga Surya (online).

    http://www.panelsurya.com/index.php/id/home/aplikasi-tenaga-surya,

    diakses tanggal < Hktober

  • 7/25/2019 Sambungan Pn

    21/21

    Straw, 9ony.