Pada artikel kali ini, kita akan membahas tentang salah satu konsep paling penting dalam pembentukan komponen elektronika semikonduktor yaitu PN Junction. Namun kita tidak akan membahas secara luas teori ini di luar konsep PN Junction pada komponen Dioda.
Di artikel ini kita akan fokus untuk membahas teori dasar pembentukan persimpangan PN semikonduktor atau yang biasa juga dikenal sebagai PN junction.
Kita akan membahas beberapa konsep dasar dari PN Junction, bagaimana PN Junction terbentuk, karakteristik karakteristiknya dan juga beberapa aspek lainnya yang berhubungan.
Pengertian PN junction
Ketika berbicara tentang komponen semikonduktor seperti dioda, transistor, dan sejenisnya, berarti kita sedang membicarakan PN junction yang menjadi konsep dasarnya.
Beberapa jenis perangkat semikonduktor, misalnya Fotokonduktor, biasanya dibentuk dengan cara memasukkan satu jenis atom pengotor. Komponen ini merupakan satu contoh perangkat semikonduktor yang hanya menggunakan satu maca atom pengotor saja pada proses doping.
Sementara pada umumnya komponen semikonduktor dibentuk dengan menggunakan dua jenis atom pengotor untuk menghasilkan tipe semikonduktor yang berbeda.
Silahkan baca artikel sebelumnya tentang pengenalan dasar semikonduktor agar Anda lebih mudah memahami penjelasan berikutnya.
Persimpangan PN pada dasarnya dibentuk dengan memasukkan (Doping) atom pengotor akseptor di satu sisi kristal semikonduktor dan sisi lainnya didoping dengan menggunakan atom pengotor donor. Sehingga menciptakan kristal atom yang mempunyai dua sisi yang berbeda tipe, yaitu tipe N dan tipe P.
Area pertemuan kedua sisi kristal yang berbeda tipe tersebut disebut sebagai persimpangan PN atau PN junction.
Pengertian semikonduktor
Daya hantar atau konduktivitas listrik semikonduktor misalnya silikon atau germanium bergantung pada jumlah elektron pembawa listrik yang ada di dalam pita konduksi. Kemampuan konduktivitas bahan semikonduktor dipengaruhi oleh jumlah dopan yang dimasukkan pada proses doping.
Sebagai contoh, konduktivitas Silikon digambarkan dengan faktor 10 3 pada suhu kamar dengan penambahan 1 atom Boron per 10 5 atom Silikon.
Semikonduktor tipe N dibuat dengan mendoping kristal silikon dengan atom pengotor pentavalen seperti Antimon. Sementara semikonduktor tipe P dibentuk dengan mendoping kristal silikon menggunakan atom pengotor trivalen seperti Boron dalam konsentrasi yang kecil.
Baik antimon dan boron adalah atom pengotor semikonduktor esensial yang sering digunakan dalam proses doping bahan semikonduktor. Karena itu jenis unsur ini disebut sebagai “metaloid“.
Secara individual, baik semikonduktor tipe-N dan tipe-P bersifat netral secara elektrik.
Proses pembentukan PN junction
Persimpangan PN dibuat menggunakan kristal semikonduktor tunggal dengan mendoping satu sisi kristal semikonduktor tersebut dengan atom pengotor akseptor. Sehingga menghasilkan semikonduktor tipe-P .
Kemudian mendoping sisi yang berlawanan dengan atom pengotor donor sehingga membentuknya menjadi semikonduktor tipe-N. Daerah di mana semikonduktor tipe-P dan tipe-N bertemu disebut sebagai persimpangan PN.
Pada area persimpangan PN, elektron pada material tipe-N menyebarkdi dalam persimpangan dan bergabung dengan hole pada semikonduktor tipe-P. Akibatnya daerah semikonduktor tipe-P yang dekat dengan persimpangan pada semikonduktor menerima muatan negatif. Hal ini terjadi karena hole bersifat menarik elektron.
Karena elektron bergerak dari daerah semikonduktor tipe-N, maka akan meninggalkan area dengan muatan positif.
Karena itu, pada area persimpangan terdapat kecenderungan elektron bebas untuk bergabung ke daerah semikonduktor tipe-P dan hole bergerak ke ke daerah semikonduktor tipe-N. Proses ini dikenal dengan nama difusi.
Lapisann sangat tipis yang terjepit di antara kedua wilayah ini (P dan N) disebut sebagai lapisan deplesi atau lapisan penipisan.
Kesetimbangan jumlah partikel elektron dan hole akan terjadi jika tidak diterapkan potensial tegangan pada salah satu sisi semikonduktor. Kondisi ini juga sering dikatakan sebagai tegangan bias nol.
Tegangan bias
Saat semikonduktor diberikan tegangan bias, maka lebar daerah deplesi akan berubah. Jika tegangan positif diterapkan sedemikian rupa, area tipe P menjadi positif, sementara area tipe N menjadi negatif. Sehingga hole akan bergerak menuju sisi negatif.
Elektron bebas bergerak menuju tegangan positif dan melewati lapisan deplesi. Kerapatan muatan tipe P di daerah deplesi akan diisi oleh atom akseptor bermuatan negatif sehingga kerapatan muatan tipe-N menjadi positif.
Penghalang potensial merupakan lapisan pemisah pembawa muatan yang berada di tengah persimpangan PN. Penghalang potensial ini dapat ditembus dengan cara memberikan tegangan bias eksternal sehingga persimpangan PN dapat melewatkan arus listrik.
Pembentukan persimpangan dan penghalang potensial Pada dioda semikonduktor terjadi pada proses pembuatan dioda semikonduktor. Besar tegangan bias yang dapat menembus penghalang yang ada dipersimpangan PN adalah 0.6 V untuk jenis semikonduktor dari bahan silikon.
Secara umum, dioda diberikan tegangan bias maju pada saat digunakan pada rangkaian elektronika. Namun pada jenis dioda zener, menggunakan tegangan bias balik saat ditempatkan pada sirkuit.
Karakteristik PN junction
Persimpangan PN diciptakan dengan cara memasukkan semikonduktor tipe-P dan tipe-N di dalam atom kristal bahan semikonduktor tertentu, misalnya silikon atau germanium. Partikel muatan mayoritas pada tipe-P adalah hole yang bermuatan positif, sementara partikel mayoritas pada tipe-N adalah elektron yang bermuatan negatif.
Sehingga bahan semikonduktor yang didoping tersebut memiliki dua sisi dengan tipe muatan yang berbeda (positif dan negatif) dan mempunyai satu persimpangan PN.
Muatan keseluruhan pada kedua sisi PN Junction harus sama dan berlawanan untuk membuat kondisi muatan netral di sekitar area persimpangan.
Dalam keadaan setimbang, tidak ada konduksi arus listrik yang terjadi di sekitar daerah persimpangan PN. Konduksi persimpangan PN terjadi karena difusi partikel muatan mayoritas dan partikel muatan minoritas bebas. Konduksi arus listrik di dalam PN junction secara fisik melibatkan pita konduksi dan pita valensi.
Ketika tegangan eksternal diberikan pada salah satu sisi semikonduktor, maka akan terjadi aliran elektron di pita konduksi, sedangkan aliran lubang terjadi di pita valensi.
Pada kondisi kesetimbangan bias tegangan nol, konsentrasi minoritas hole dan elektron akan hanyut hanya di bawah pengaruh penggabungan medan listrik E. Difusi partikel muatan mayoritas harus melintasi penghalang potensial VB dari sambungan PN yang terbentuk sebagai efek dari adanya area deplesi.
Ini berarti bahwa partikel muatan mayoritas tipe-N dan tipe-P setidaknya harus mencapai energi qVB elektron volt (eV) sebelum melewati penghalang dan berdifusi ke wilayah tipe-P atau tipe-N.
Pergerakan elektron dari sisi N pada persimpangan PN ke hole yang dihilangkan di sisi P persimpangan PN menghasilkan tegangan penghalang potensial. Nilai tegangan penghalang adalah sekitar 0,6 hingga 0,7 V untuk jneis bahan semikonduktor silikon. Sedangkan untuk jenis bahan semikonduktor germanium sekitar 0.3 V.
Blok semikonduktor tipe-P dan tipe-N yang bersentuhan satu sama lain tidak memiliki sifat yang dapat dieksploitasi. Penghalang potensial harus dapat ditembus oleh sumber tegangan eksternal agar persimpangan PN dapat menghantarkan arus listrik. Ini dapat terjadi Jika sumber tegangan eksternal dihubungkan sedemikian rupa sehingga terminal positif terhubung ke sisi P dan terminal negatif terhubung ke sisi N.
Terminal negatif memberikan elektron ke tipe-N untuk berdifusi menuju lapisan deplesi. Sama halnya terminal positif menghilangkan elektron dalam tipe-P menciptakan hole yang berdifusi menuju daerah deplesi.
Jika suplai tegangan eksternal cukup besar untuk menembus tegangan potensial penghalang, maka sebagian besar pembawa muatan dari tipe-N dan tipe-P menggabungkan dan melintasi sambungan. Akibatnya lebih banyak jumlah partikel muatan yang direplikasi dan mengalir menuju daerah deplesi selama tegangan eksternal yang diterapkan lebih besar daripada tegangan penghalang potensial.
Oleh karena itu arus partikel muatan mayoritas bergerak menuju persimpangan sehingga menghasilkan aliran arus listrik di dalam semikonduktor. Kondisi ini disebut sebagai bias maju.
Jika polaritas sumber tegangan eksternal dibalik, maka sebagian besar partikel muatan tipe-N ditarik oleh terminal positif di persimpangan PN dan hole ditarik oleh terminal negatif yang jauh dari persimpangan PN.
Kondisi ini meyebabkan lebar area deplesi semakin meningkat drastis, sehingga tidak terjadi aliran arus listrik di dalam semikonduktor. Fenomena ini dikenal dengan sebutan bias balik. Dimana seaka akan semikonduktor menolak aliran arus listrik melewatinya.
Penerapan tegangan pada PN junction
Partikel muatan mayoritas di area tipe-N, yaitu elektron dapat melintasi persimpangan sehingga dapat bergabung kembali dengan partikel muatan mayoritas yang terdapat di area tipe-P yaitu hole. Akibatnya, muatan negatif tercipta di area semikonduktor tipe-P sebagai akibat dari atom boron pengotor trivalen memiliki muatan negatif statis saat mereka melepaskan hole bermuatan positif di pita valensi.
Sementara itu muatan positif terbentuk di area semikonduktor tipe-N karean proses yang serupa. Ruangan sangat tipis yang terbentu diantara kedua semikonduktor itu disebut sebagai zona penipisan atau deplesi. Karena ada medan listrik yang kuat di dalam ruang tipis ini, kerapatan partikel muatan bebas dapat diabaikan pada posisi kesetimbangan termal.
Jika semikonduktor tipe-P dan tipe-N mendekat, kemungkinan penghalang potensial meningkat pada lapisan deplesi. Pada kenyatannya, muatan ruang statis terakumulasi di perbatasan persimpangan PN.
Muatan positif di wilayah tipe-N dan muatan negatif di wilayah tipe-P menciptakan medan listrik mulai dari tipe-N hingga tipe-P, yang mencegah difusi dan menambahkan rekombinasi elektron dan hole.
Difusi dihentikan karena adanya pembentukan medan listrik internal sebagai akibat dari keberadaan lapisan ganda muatan di kedua sisi sambungan PN. Penghalang potensial bervariasi tajam di dalam zona penipisan dan perbedaan potensial Vd, yang disebut potensial difusi atau potensial bawaan mencapai nilai yang tidak dapat diabaikan.
Potensial elektrostatik konstan di seluruh kristal bersama-sama dengan zona muatan ruang. Karena potensi ini tidak hanya mempertimbangkan medan listrik tetapi juga konsentrasi pembawa muatan. Potensial bawaan karena konsentrasi pembawa muatan mengkompensasi potensi elektrostatik secara akurat.
Potensial built-in atau potensial junction dari semikonduktor sama dengan potensial di seluruh daerah penipisan dalam keadaan kesetimbangan termal. Karena kesetimbangan termal menyiratkan bahwa energi Fermi konstan di seluruh perangkat dioda PN.
Oleh karena itu, energi Fermi dari pita konduksi dan pita valensi digeser ke atas atau ke bawah, dan menunjukkan deviasi ramping di seluruh wilayah lapisan penipisan. Akibatnya, ada perbedaan energi potensial elektrostatik yang ditunjukkan antara daerah tipe-P dan tipe-N, sama dengan qV d.
Potensi eksternal yang diperlukan untuk mengatasi potensi sambungan bergantung pada suhu operasi dan juga jenis semikonduktor. Bahkan jika potensi eksternal tidak diterapkan pada semikonduktor, ada beberapa potensi penghalang karena pasangan elektron-lubang.
Sambungan PN dibentuk pada semikonduktor tunggal dan kontak listrik diletakkan di sekitar permukaan semikonduktor untuk memungkinkan sambungan listrik untuk catu daya eksternal. Akibatnya perangkat akhir disebut sebagai dioda sambungan PN atau dioda sinyal.
