TUGAS REKAYASA BAHAN

Rekayasa Bahan 2012

TUGAS REKAYASA BAHAN

SAMBUNGAN P-N SEBAGAI SENSOR THERMAL

DISUSUN OLEH:

NIBRAS FITRAH YAYIENDA (2409 100 049)

RAKHA ADITYA (2409 100 051)

PRIM ARISTA WINANDA P (2409 100 059)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2012

Rekayasa Bahan 2012

ABSTRAK

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah di dopping ada dua macam

semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N. P-n junction

terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P bersamaan dalam

hubungan yang sangat dekat. Istilah junction menunjuk ke bagian di mana kedua tipe

semikonduktor tersebut bertemu. Salah satu contoh penggunaan semikonduktor P-N

junction sebgai sensor thermal adalah thermistor. Nama termistor berasal dari Thermally

Sensitive Resistor.

Rekayasa Bahan 2012

ABSTRACT

Ecstrinsic semiconductor is semiconconductor that had have been doppt. There are 2 kinds

of ecstrinsic semiconductor tere are P type and N tyoe. P-N junction made from

semiconductor P type and N type in the closest deistance. The name junction refer to the

part of the both semiconductor meet. The apllication of P-N junction as thermal sensor s the

thermistor. Name thermistor caome from Thremaly Resistive Resistor

Rekayasa Bahan 2012

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Sambungan P-N merupakan salah satu komponen dasar dan sensor thermal merupakan

sensor yang umum digunakan dalam kegiatan sehari- hari. Maka, sangat penting untuk

memahami struktur dan cara operasi dari sambungan P-N sebagai sensor termal. Apalagi

dengan makin berkembangnya ilmu mengenai rekayasa bahan, tentu sambungan P-N

memiliki peran yang sangat besar dalam pembuatan berbagai macam divais. Hal itulah yang

mendasari kami untuk menulis makalah dengan topik sambungan P-N sebagai sensor

thermal.

1.2 PERMASALAHAN

Permasalahan yang akan di bahas pada makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Apakah itu sambungan P-N

2. Bagaimana prinsip kerja sambungan P-N

3. Bagaimana cara kerja sambungan P-N sebagai sensor thermal

1.3 TUJUAN

Sedangkan tujuan disusunnya makalah ini adalah sebagai berikut :1. Memahami pengertian sambungan P-N

2. Memahami prinsip kerja sambungan P-N

3. Memahami cara kerja sambungan P-N sebagai sensor termal

1.4 SISTEMATIKA PENULISAN

Sistematika penulisan yang digunakan dalam penyusunan makalah ini adalah sebagai

berikut:

Bab I PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang, permasalahan, tujuan dan sistematika penulisan

Bab II TEORI PENUNJANG

Berisi tentang teori-teori semikonduktor P-N

Bab III PENUTUP

Berisi tentang kesimpulan dan saran beserta daftar pustaka

Rekayasa Bahan 2012

BAB II

TEORI PENUNJANG

2.1 SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah sebuah elemen dengan kemampuan listrik diantara sebuah

konduktor dan insulator. Diantaranya yang termasuk dalam semikonduktor adalah

Germanium dan Silicon. Dalam perkembangannya Silicon lebih dipilih daripada Germanium.

Sebuah semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni. Sebuah kristal Silicon adalah

sebuah semikonduktor murni apabila setiap atom di dalam kristal adalah atom Silicon. Pada

suhu kamar Silicon akan berperilaku seperti insulator.

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah di dopping ada dua macam

semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N.

Semmikonduktor tipe P adalah semikonduktor dngan dopping lebih banyak hole pada

semikonduktor tersebut. Sedangkan semikonduktor tipe N adalah semikonduktor dengan

lebih bnyak elektron yang di Dopping

2.2 SEMIKONDUKTOR TIPE P-N

P-n junction terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P

bersamaan dalam hubungan yang sangat dekat. Istilah junction menunjuk ke bagian di mana

kedua tipe semikonduktor tersebut bertemu. Dapat dilihat sebagai perbatasan antara wilayah

antara blok tipe-P dan tipe-N seperti yang diperlihatkan di diagram bawah:

Gambar 1. P-N Junction

Tiap pasang ion positif dan ion negatif pada gambar 2 disebut dipole. Penciptaan

dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole telah dikeluarkan dari sirkulasi. Jika

terbentuk sejumlah  dipole, daerah dekat junction dikosongkan dari muatan-muatan , daerah

kosong ini  disebut dengan daerah /lapisan pengosongan yang lebarnya 0,5 µm.

P -n junction pada kondisi open circuit :

- Tipe n

  Atom pada tipe n akan menjadi donor (melepas elektron) sehingga memiliki ion positif

- Tipe p

  Atom pada tipe p akan menjadi akseptor elektron sehingga akan memiliki ion negatif

Rekayasa Bahan 2012

Gambar 2. P-N Junction

Pada saat kesetimbangan maka :

Sesaat setelah semikonduktor tipe p dan tipe n digabungkan akan terjadi proses difusi yang

terdiri dari :

Elektron dari sisi n akan berdifusi masuk ke sisi p melalui junction

Hole dari sisi p akan bergerak ke sisi n

Kedua proses tersebut akan membentuk daerah tidak bermuatan di sekitar junction

yang disebut sebagai depletion region sebesar ±5µm

Timbul medan listrik akibat terbentuknya dipole yang mendorong elektron kembali ke

sisi n.

Proses difusi akan terus berlangsung sampai drift akibat medan listrik yang timbul akibat

adanya dipole sama dengan arus difusi sehingga akan tercapai kondisi kesetimbangan

dimana tidak ada elektron yang dapat berdifusi melalui junction ke sisi p.

Gambar 3. Pita Energi

Contact potensial (Vpn) antara sisi p dan sisi n (P-N junction) :

Rekayasa Bahan 2012

Dimana :

Nd = Konsentrasi kerapatan atau densitas donor (sisi n)

NA = Konsentrasi kerapatan atau densitas akseptor (sisi p)

Ni = konsentrasi kerapatan atau densitas dari bahan semikonduktor intrinsik

TEGANGAN BARIER PADA P-N JUNCTION

Pembangkitan tegangan barrier bergantung pada suhu junction, suhu yang lebih

tinggi menciptakan banyak pasangan elektron dan hole, sehingga aliran pembawa minoritas

melewati juction bertambah. Pada suhu 25°C Potensial Barier pada dioda germanium (Ge)=

0,3 V dan dioda silikon (Si ) = 0,7 V.Potensial barrier tersebut berkurang 2,5 mV untuk setiap

kenaikan 1 derajat Celcius.

BIAS PADA LAPISAN P-N

Forward Bias Pada Lapisan P-N

Gambar ilustrasi di bawah menunjukkan sambungan PN.Terminal negatif

sumber/batery dihubungkan dengan bahan tipe-N dan terminal positif dihubungkan

dengan bahan tipe-P, atau tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N sehingga

elektron dari sisi N akan bergerak untuk mengisi hole di sisi P. Kalau elektron mengisi

hole disisi P, akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut

aliran hole dari P menuju N. Kalau mengunakan terminologi arus listrik, dikatakan

terjadi arus listrik dari sisi P ke sisi N. Bias ini disebut bias maju (foward ) 

Gambar 4. Forward Bias

Rekayasa Bahan 2012

Reverse Bias Pada Lapisan P-N

Pada sambungan reverse bias terminal negatif sumber/battery dihubungkan

dengan bahan tipe-P dan terminal positif dihubungkan dengan bahan tipe-N. Pada

kondisi ini hole dan elektron bergerak menuju ke ujung-ujung kristal (menjauhi

junction), dimana elektron akan meninggalkan ion positif dan hole akan

meninggalkan ion negatif oleh sebab itu lapisan pengosongan akan bertambah

lebar.Makin besar bias makin lebar pula lapisan pengosongan , oleh karena itu arus

listrik sulit/tidak bisa mengalir dari sisi P ke N.Bias ini disebut bias balik (reverse )

Gambar 5. Reverse Bias

Zero Bias Pada Lapisan P-N

Kondisi equilibrium seperti yang sudah dijelaskan diatas dapat tercapai pada

saat P-N junction tanpa tegangan eksternal, dimana perbedaan potensial terbentuk di

junction. Perbedaan potensial berikut disebut potensial built-in (Vbi).

.

Gambar 6. P-N junction pada kondisi equilibrum

Setelah pengggabungan antara tipe p dan tipe n, elektron yang berada dekat

dengan p-n interface cenderung menyebar ke daerah p. Sebagai electron difusi,

electron-elektron tersebut meninggalkan ion bermuatan positif (donor) di wilayah n.

Hal yang sama terjadi pada hole yang berada dekat dengan p-n interface, hole akan

Rekayasa Bahan 2012

berdifusi ke daerah n dan meninggalkan ion negative (akseptor). Akibatnya, daerah

dekat p-n kehilangan netralitsnya dan menjadi bermuatan serta membentuk lapissan

deplesi.

Medan listrik terjadi di space charge region berlawanan dengan proses difusi

untuk electron dan hole. Terdapat dua fenomena yang terjadi yaitu proses difusi

cenderung menghasilkan space charge yang cenderung melawan difusi. Space

charge region merupakan zona yang terjadi oleh ion tetap (donor atau akseptor) yang

telah ditinggalkan oleh carrier difusi mayoritas.

Gambar 7. Junction zero bias

2.3 SEMIKONDUKTOR TIPE P-N SEBAGAI SENSOR THERMAL

Rumusan uarus dari sambungan P-N sebagai sensor thermal dapat dirumuskan

dengan menggunakan rumusan berikut ini

I=I . ni exp [ VV T ]Salah satu contoh penggunaan semikonduktor P-N junction sebgai sensor thermal

adalah seperti comtoh dibawah ini

Kombinasi Sensor Temperatur p-n Junction dan kombinasinya dengan Jembatan

Pemanas Udara Mikro

Dioda sensor temperature p-n junction dapat meliputi range temperature yang

lebar, yaitu sekitar -200 - 500 C (-200 – 150 C dengan bias maju; 150 – 500 C dengan

bias mundur-temperatur sekitar 1 V) dengan sensitivitas tinggi dan akurasi seperti NTC

Rekayasa Bahan 2012

thermistor. Telah diteliti bahnwa jembatan udara mikro 700mx700m mempunyai respon

yang cepat (16 ms) dan mempunyai sensitivitas tinggi dan feedback kontrol yang stabil.

Alat ini menggunakan op-amp sebagai penguat tegangan bias V langsung

sebagai pn junction sensor temperature dan untuk memonitor arus diode I bernanding

dengan temperature T. alat ini digunakan sebagai sensor kelembaban, sensor aliran

thermal, dan sensor analisis thermal.

Prinsip Kerja pn Junction sensor temperature

Arus I pn junction diode diberikan tegangan bias maju V.

Arus saturasi bias mundur I0 mempunyai temperature tinggi yang

tergantung ecp (-qVd/nkT).

Struktur Alat

Temperature -196 – 150 C menunjukkan tegangan bias maju sebesar 0.45,

0.50, 0.55, 0.60, 0.70, 0.80, 0.90, 1.0, 1.1 V dan 150 – 450 C pada bias mundur -1 V

Rekayasa Bahan 2012

Gambar 10. Struktur Alat

Berikut adalah grafik hubungan antara Temperatur 1/T dengan Arus I :

Gambar 11. Kurva Temperatur dan Arus

Gambar 12. Kurva Temperatur dan Resistansi

Rekayasa Bahan 2012

Gambar 13. Rangkaian Alat

Rekayasa Bahan 2012

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

1. P-n junction terbentuk dengan menggabungkan semikonduktor tipe-N dan tipe-P

bersamaan dalam hubungan yang sangat dekat.

2. Sambungan P-N bekerja berdasarkan prinsip perpindahan elektron dan hole dari

semikonduktor tipe P dan N

3. Untuk sensor thrmal thermistor tipe NTC semakin besar suhu maka resistansi

yang dihasilkan akan semakin kecil

4. Untuk sensor thermal PTC semakin besar suhunya maka resistansi yang

dihasilkan semakin besar sampai titik tertentu dan akhirnya takan bersifat seperti

NTC.

Rekayasa Bahan 2012

DAFTAR PUSATAKA

1. Zambuto Mauro, “Semiconductor Devices”, McGraw-Hill International.

2. Kimura Et all, Thermistor-like P-N junction temperature-sensor-with variable

sensitivity and its combinationwith micro-ais-bridge heater, 2003,Department of

electrical engineering and information technologim, Tohoko Gakuin-University,

Tagajo Miyagi Japan