Teori Persimpangan PN Junction
PN-junction terbentuk ketika material tipe-N menyatu bersama dengan material tipe-P yang menciptakan dioda semikonduktor.
Dalam tutorial sebelumnya kita melihat bagaimana membuat bahan semikonduktor tipe-N dengan mendoping atom silikon dengan jumlah kecil Antimony dan juga bagaimana membuat bahan semikonduktor tipe-P dengan mendoping atom silikon lain dengan Boron.
Ini semua baik dan bagus, tetapi bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P yang baru didoping ini melakukan sangat sedikit sendiri karena mereka netral secara listrik. Namun, jika kita bergabung (atau menggabungkan) kedua bahan semikonduktor ini bersama-sama, mereka berperilaku dengan cara yang sangat berbeda untuk bergabung bersama dan menghasilkan apa yang secara umum dikenal sebagai " Persimpangan atau Junction P-N ".
Ketika semikonduktor tipe-N dan material semikonduktor tipe-P pertama kali bergabung bersama, gradien kepadatan yang sangat besar ada di antara kedua sisi persimpangan atau junction PN.
Hasilnya adalah bahwa beberapa elektron bebas dari atom-atom pengotor donor mulai bermigrasi melintasi persimpangan yang baru terbentuk ini untuk mengisi lubang-lubang pada bahan tipe-P yang menghasilkan ion negatif.
Namun, karena elektron telah bergerak melintasi persimpangan PN junctioan dari tipe-N silikon ke tipe-P silikon, mereka meninggalkan ion belakang bermuatan positif donor (ND) di sisi negatif dan sekarang lubang dari pengotor akseptor bermigrasi melintasi persimpangan ke arah yang berlawanan ke wilayah di mana ada banyak elektron bebas.
Akibatnya, kerapatan muatan tipe-P di sepanjang persimpangan diisi dengan ion akseptor bermuatan negatif (NA), dan kerapatan muatan tipe-N di sepanjang persimpangan menjadi positif.
Pemindahan muatan elektron dan lubang ini melintasi persimpangan PN junction dikenal sebagai difusi. Lebar lapisan P dan N ini tergantung pada seberapa berat masing-masing sisi didoping dengan kepadatan akseptor NA, dan kepadatan donor ND, masing-masing.
Proses ini terus bolak-balik sampai jumlah elektron yang telah melintasi persimpangan memiliki muatan listrik yang cukup besar untuk mengusir atau mencegah pembawa muatan lagi melintasi persimpangan.
Akhirnya keadaan keseimbangan (situasi netral elektrik) akan muncul menghasilkan zona "penghalang potensial" di sekitar area persimpangan saat atom donor mengusir lubang dan atom akseptor mengusir elektron.
Karena tidak ada operator muatan bebas yang dapat beristirahat dalam posisi di mana ada penghalang potensial, daerah di kedua sisi persimpangan sekarang menjadi benar-benar kehabisan pembawa lebih bebas dibandingkan dengan bahan tipe N dan P yang jauh dari persimpangan. Daerah ini di sekitar PN Junction sekarang disebut Lapisan Penipisan.
Total muatan pada setiap sisi persimpangan PN Junction harus sama dan berlawanan untuk mempertahankan kondisi muatan netral di sekitar persimpangan atau jumction-nya.
Jika daerah lapisan penipisan memiliki jarak D, karena itu ia harus menembus ke dalam silikon dengan jarak Dp untuk sisi positif, dan jarak Dn untuk sisi negatif memberikan hubungan antara keduanya: Dp*NA = Dn*ND untuk menjaga netralitas muatan juga disebut keseimbangan.
Karena material tipe-N telah kehilangan elektron dan tipe-P telah kehilangan lubang (hole), material tipe-N menjadi positif sehubungan dengan tipe-P. Kemudian adanya ion pengotor di kedua sisi persimpangan menyebabkan medan listrik terbentuk di seluruh wilayah ini dengan sisi-N pada tegangan positif relatif terhadap sisi-P.
Masalahnya sekarang adalah bahwa muatan bebas membutuhkan energi ekstra untuk mengatasi penghalang yang sekarang ada agar dapat melintasi persimpangan wilayah penipisan.
Medan listrik yang diciptakan oleh proses difusi ini telah menciptakan "beda potensial bawaan" di persimpangan dengan potensi rangkain terbuka (bias nol) dari:
Dimana: Eo adalah tegangan persimpangan bias nol, VT tegangan thermal 26mV pada suhu kamar, ND dan NA adalah konsentrasi pengotor dan ni adalah konsentrasi intrinsik.
Tegangan positif yang cocok (bias maju) yang diterapkan antara kedua ujung persimpangan PN dapat memasok elektron dan lubang bebas dengan energi ekstra. Tegangan eksternal yang diperlukan untuk mengatasi penghalang potensial ini yang sekarang ada sangat tergantung pada jenis bahan semikonduktor yang digunakan dan suhu aktualnya.
Biasanya pada suhu kamar, tegangan melintasi lapisan penipisan untuk silikon sekitar 0.6 - 0.7 volt dan untuk germanium sekitar 0.3 - 0.35 volt. Potensi penghalang ini akan selalu ada bahkan jika perangkat tidak terhubung ke sumber daya eksternal apa pun, seperti yang terlihat dalam dioda.
Arti penting dari built-in/bawaan potensial ini di persimpangan, adalah bahwa ia menentang aliran lubang dan elektron melintasi persimpangan dan itulah sebabnya ia disebut penghalang potensial. Dalam praktiknya, persimpangan PN junction dibentuk dalam satu kristal material bukan hanya sekadar menyatukan atau menggabungkan dua bagian terpisah.
Hasil dari proses ini adalah bahwa persimpangan PN junction memiliki karakteristik arus-tegangan (I-V) yang diperbaiki. Kontak listrik dipadukan ke kedua sisi semikonduktor untuk memungkinkan koneksi listrik dibuat ke rangkaian eksternal. Perangkat elektronik yang dihasilkan yang telah dibuat umumnya disebut Dioda persimpangan PN junction atau hanya Dioda Daya.
Kemudian kita telah melihat di sini bahwa persimpangan PN junction dapat dibuat dengan bergabung atau menyebar bersama bahan semikonduktor yang berbeda untuk menghasilkan perangkat elektronik yang disebut dioda yang dapat digunakan sebagai struktur semikonduktor dasar penyearah, semua jenis transistor, LED, sel surya, dan banyak lagi perangkat solid state semacam itu.
Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat salah satu aplikasi paling menarik dari persimpangan PN Junction yaitu penggunaannya dalam rangkaian sebagai dioda.
Dengan menambahkan koneksi ke setiap ujung bahan tipe-P dan tipe-N, kita dapat menghasilkan dua perangkat terminal yang disebut Dioda PN Junction yang dapat dibiaskan oleh tegangan eksternal ke salah satu blok atau membiarkan aliran arus melewatinya.
Dalam tutorial sebelumnya kita melihat bagaimana membuat bahan semikonduktor tipe-N dengan mendoping atom silikon dengan jumlah kecil Antimony dan juga bagaimana membuat bahan semikonduktor tipe-P dengan mendoping atom silikon lain dengan Boron.
Ini semua baik dan bagus, tetapi bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P yang baru didoping ini melakukan sangat sedikit sendiri karena mereka netral secara listrik. Namun, jika kita bergabung (atau menggabungkan) kedua bahan semikonduktor ini bersama-sama, mereka berperilaku dengan cara yang sangat berbeda untuk bergabung bersama dan menghasilkan apa yang secara umum dikenal sebagai " Persimpangan atau Junction P-N ".
Ketika semikonduktor tipe-N dan material semikonduktor tipe-P pertama kali bergabung bersama, gradien kepadatan yang sangat besar ada di antara kedua sisi persimpangan atau junction PN.
Hasilnya adalah bahwa beberapa elektron bebas dari atom-atom pengotor donor mulai bermigrasi melintasi persimpangan yang baru terbentuk ini untuk mengisi lubang-lubang pada bahan tipe-P yang menghasilkan ion negatif.
Namun, karena elektron telah bergerak melintasi persimpangan PN junctioan dari tipe-N silikon ke tipe-P silikon, mereka meninggalkan ion belakang bermuatan positif donor (ND) di sisi negatif dan sekarang lubang dari pengotor akseptor bermigrasi melintasi persimpangan ke arah yang berlawanan ke wilayah di mana ada banyak elektron bebas.
Akibatnya, kerapatan muatan tipe-P di sepanjang persimpangan diisi dengan ion akseptor bermuatan negatif (NA), dan kerapatan muatan tipe-N di sepanjang persimpangan menjadi positif.
Pemindahan muatan elektron dan lubang ini melintasi persimpangan PN junction dikenal sebagai difusi. Lebar lapisan P dan N ini tergantung pada seberapa berat masing-masing sisi didoping dengan kepadatan akseptor NA, dan kepadatan donor ND, masing-masing.
Proses ini terus bolak-balik sampai jumlah elektron yang telah melintasi persimpangan memiliki muatan listrik yang cukup besar untuk mengusir atau mencegah pembawa muatan lagi melintasi persimpangan.
Akhirnya keadaan keseimbangan (situasi netral elektrik) akan muncul menghasilkan zona "penghalang potensial" di sekitar area persimpangan saat atom donor mengusir lubang dan atom akseptor mengusir elektron.
Karena tidak ada operator muatan bebas yang dapat beristirahat dalam posisi di mana ada penghalang potensial, daerah di kedua sisi persimpangan sekarang menjadi benar-benar kehabisan pembawa lebih bebas dibandingkan dengan bahan tipe N dan P yang jauh dari persimpangan. Daerah ini di sekitar PN Junction sekarang disebut Lapisan Penipisan.
Persimpangan PN Junction
Total muatan pada setiap sisi persimpangan PN Junction harus sama dan berlawanan untuk mempertahankan kondisi muatan netral di sekitar persimpangan atau jumction-nya.
Jika daerah lapisan penipisan memiliki jarak D, karena itu ia harus menembus ke dalam silikon dengan jarak Dp untuk sisi positif, dan jarak Dn untuk sisi negatif memberikan hubungan antara keduanya: Dp*NA = Dn*ND untuk menjaga netralitas muatan juga disebut keseimbangan.
Jarak Persimpangan atau PN Junction Distance
Karena material tipe-N telah kehilangan elektron dan tipe-P telah kehilangan lubang (hole), material tipe-N menjadi positif sehubungan dengan tipe-P. Kemudian adanya ion pengotor di kedua sisi persimpangan menyebabkan medan listrik terbentuk di seluruh wilayah ini dengan sisi-N pada tegangan positif relatif terhadap sisi-P.
Masalahnya sekarang adalah bahwa muatan bebas membutuhkan energi ekstra untuk mengatasi penghalang yang sekarang ada agar dapat melintasi persimpangan wilayah penipisan.
Medan listrik yang diciptakan oleh proses difusi ini telah menciptakan "beda potensial bawaan" di persimpangan dengan potensi rangkain terbuka (bias nol) dari:
Dimana: Eo adalah tegangan persimpangan bias nol, VT tegangan thermal 26mV pada suhu kamar, ND dan NA adalah konsentrasi pengotor dan ni adalah konsentrasi intrinsik.
Tegangan positif yang cocok (bias maju) yang diterapkan antara kedua ujung persimpangan PN dapat memasok elektron dan lubang bebas dengan energi ekstra. Tegangan eksternal yang diperlukan untuk mengatasi penghalang potensial ini yang sekarang ada sangat tergantung pada jenis bahan semikonduktor yang digunakan dan suhu aktualnya.
Biasanya pada suhu kamar, tegangan melintasi lapisan penipisan untuk silikon sekitar 0.6 - 0.7 volt dan untuk germanium sekitar 0.3 - 0.35 volt. Potensi penghalang ini akan selalu ada bahkan jika perangkat tidak terhubung ke sumber daya eksternal apa pun, seperti yang terlihat dalam dioda.
Arti penting dari built-in/bawaan potensial ini di persimpangan, adalah bahwa ia menentang aliran lubang dan elektron melintasi persimpangan dan itulah sebabnya ia disebut penghalang potensial. Dalam praktiknya, persimpangan PN junction dibentuk dalam satu kristal material bukan hanya sekadar menyatukan atau menggabungkan dua bagian terpisah.
Hasil dari proses ini adalah bahwa persimpangan PN junction memiliki karakteristik arus-tegangan (I-V) yang diperbaiki. Kontak listrik dipadukan ke kedua sisi semikonduktor untuk memungkinkan koneksi listrik dibuat ke rangkaian eksternal. Perangkat elektronik yang dihasilkan yang telah dibuat umumnya disebut Dioda persimpangan PN junction atau hanya Dioda Daya.
Kemudian kita telah melihat di sini bahwa persimpangan PN junction dapat dibuat dengan bergabung atau menyebar bersama bahan semikonduktor yang berbeda untuk menghasilkan perangkat elektronik yang disebut dioda yang dapat digunakan sebagai struktur semikonduktor dasar penyearah, semua jenis transistor, LED, sel surya, dan banyak lagi perangkat solid state semacam itu.
Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat salah satu aplikasi paling menarik dari persimpangan PN Junction yaitu penggunaannya dalam rangkaian sebagai dioda.
Dengan menambahkan koneksi ke setiap ujung bahan tipe-P dan tipe-N, kita dapat menghasilkan dua perangkat terminal yang disebut Dioda PN Junction yang dapat dibiaskan oleh tegangan eksternal ke salah satu blok atau membiarkan aliran arus melewatinya.