PEMBENTUKAN SAMBUNGAN P-N

PEMBENTUKAN SAMBUNGAN P-N

Hubungan PN dapat terjadi dengan mendifusi impuritas tipe-p pada salah satu ujung kristal tipe-n. walaupun ada hubungan antara dua tipe silikon namun sebagai keseluruhan bertindak sebagai kisi kristal tunggal. Akibatnya elektron bebas dari tipe-n akan bergerak menuju hole pada tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke elektron di tipe-n sehingga terjadi proses rekombinasi. Selanjutnya akan terjadi lapisan deplesi. Pada dasarnya lapisan ini adalah isolator dengan kelebihan elektron di sisi tipe-p dan kelebihan hole di sisi tipe-n dan berakibat timbulnya beda tegangan di hubungan pn, yaitu Vγ, seperti ditunjukkan pada gambar 3 berikut.

Setelah hubungan PN terbentuk, hole dari tipe-p konsentrasinya lebih besar dari hole di tipe-n, sehingga hole akan berdifusi, demikian pula pada elektron juga akan berdifusi dan berekombinasi. Namun proses ini tidak terjadi terus-menerus dan akan berhenti jika terjadi kesetimbangan antara difusi dan drift. Dalam keadaan seimbang :
1. daerah tipe-p netral
2. daerah muatan ruang tipe-p
3. daerah muatan ruang tipe-n
4. daerah tipe-n netral
Daerah (2) dan (3) → daerah muatan ruang/lapisan deplesi/dipole listrik. Pada daerah ini ada medan listrik walaupun tidak diberi tegangan.



Dalam keadaan seimbang, Jn = 0, sehingga : J_n=qμ_n n E+q D_n dn/dx=0
Diperoleh E=-D_n/μ_n 1/n dn/dx=-kT/q d/dx(ln⁡〖n)〗 (Relasi Einstein D_n/μ_n =kT/q )
Atau :
V_b=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒〖E dx〗=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒kT/q d/dx(ln⁡〖n)〗 dx
V_b=kT/q ln⁡〖n_n/n_p 〗=kT/q ln⁡〖(n_n n_p)/(n_i^2 )〗=kT/q ln⁡〖(n_A n_D)/(n_i^2 )〗

Jadi walaupun dalam keadaan kesetimbangan termal, terdapat beda tegangan antara kedua kutub dioda – tegangan difusi.

Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari tipe-p ke tipe-n.
Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.





Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.

Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.
Lapisan muatan pada daerah diplesi 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” o V (lihat gambar 7.3). Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.

Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihaatkan pada gambar 7.3, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkan terjadinya medan listrik e dalam arah - x . Kita dapat menggunakan v = -òe dx untuk mendapatkan distribusi potensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang Vo yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas.



Gambar 7.4. Dioda p-n berpanjar maju (forward bias) : a) Rangkaian dasar dan; b) Potensial penghalang mengalami penurunan