Upload
azam-ahmad
View
158
Download
13
Embed Size (px)
DESCRIPTION
komponen elektronik
Citation preview
SEPARUH PENGALIR E1002 / 1
u nit 1:u nit 1:1
Mempelajari dan memahami ciri-ciri dan sifat elektrik separuh pengalir
Mentakrif separuh pengalir dan menyatakan silikon dan Germanium adalah bahan separuh pengalir
Menyatakan ciri-ciri bagi separuh pengalir jenis-N dan P
SEPARUH PENGALIR E1002 /
1.1 APAKAH SEPARUH PENGALIR DAN CONTOH-CONTOHNYA :
Untuk memudahkan kita mengenali sifat separuh pengalir, kita harus mengkaji struktur atom sesuatu bahan terlebih dahulu.
2
1.0 PENGENALAN
Unit ini merupakan unit permulaan bagi modul ini yang mengandungi 11 unit keseluruhannya. Diharap anda dapat memahami keseluruhan unit-unit secara berperingkat.
Dalam unit ini, kita akan lebih membincangkan tentang ciri-ciri dan sifat elektrik separuh pengalir kerana ia banyak digunakan dalam litar elektronik dan sering bersangkutan dengan kehidupan harian kita.
Struktur atom adalah satu elemen terkecil bagi sesuatu bahan. Model struktur atom telah diperkenalkan oleh Niels Bohr dalam tahun 1913. Menurut model tersebut, elemen yang bercas negatif bergerak dalam bentuk bulatan atau elips yang mengelilingi satu nukleas bercas positif. ( Rujuk Rajah 1.0a ) :
Elektron ( bercas negatif (-))
Nukleas i. Proton ( bercas positif + ) ii. Neotron ( Nuetral )
Rajah 1.0 : Elektron mengelilingi nukleas
.. Selamat Mencuba
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Tahukah Anda ?.Bahawa .jumlah bilangan
proton di nukleas dan elektron yang mengelilingi nukleas bagi setiap
atom adalah sama.
1.1.1 Struktur Atom
Dalam atom, terdapat maksimum 7 lapisan orbit ( atau petala ). Setiap Lapisan dikenali sebagai lapisan K, l, M, N, O, P dan Q ( Atau 1-7 ). Bilangan maksima elektron dalam satu lapisan ditentukan oleh rumus :
2 x n2 n ialah nombor kedudukan lapisan
jadi bilangan maksima elektron bagi setiap lapisan ialah :
Lapisan K ( 1 ) : 2 x 12 = 2Lapisan L ( 2 ) : 2 x 22 = 8Lapisan M ( 3 ) : 2 x 32 = 18Lapisan N ( 4 ) : 2 x 42 = 32Lapisan O ( 5 ) : 2 x 52 = 50Lapisan P ( 6 ) : 2x 62 = 72Lapisan Q ( 7 ) : 2 x 72 = 98
Contoh 1 :
Aluminium mengandungi 13 elektron jadi tentukan bilangan elektron yang terdapat bagi setiap lapisan. :
3
+13
Lapisan K : 2 elektron
Lapisan L : 8 elektron
Lapisan M: 3 elektron( bilangan maksima elektron yang boleh diisi dalam lapisan ini ialah 18 tetapi disebabkan baki elektron yang tertinggal ialah 3 jadi elektron yang terdapat dalam lapisan ini hanyalah 3 )
2 + 8 + 3 = 13
+1
ElektronNukleas :Mengandungi Proton & Nuetron
SEPARUH PENGALIR E1002 / Lapisan yang paling luar bagi satu atom dinamakan lapisan valens dan elektron pada lapisan ini dikenali sebagai elektron valens ( ia merupakan pembawa arus ). Lapisan ini tidak akan memuatkan lebih daripada 8 elektron valens. Bilangan elektron vales inilah yang akan menentukan sifat elektrik sesuatu bahan. ( Rujuk jadual 1.0b ) :
Kandungan Sifat Bahan
Catatan
1 - 3 elektron valens
Pengalir Boleh mengalirkan arus elektrik. Mempunyai rintangan yang
rendah untuk memudahkan pengaliran arus
Atomnya cenderung untuk melepaskan elektron valensnya dan menjadi elektron-elektron yang bebas bergerak dari satu atom ke atom yang lain.
5 8 elektron valens
Penebat Tidak boleh mengalirkan arus elektrik.
Mempunyai kerintangan yang tinggi .
Atomnya cenderung untuk menerima elektron vales daripada atom yang lain bagi memenuhkan lapisan valens dan menjadikan ia sebagai atom stabil dan mampu menghindar dari sebarang aktiviti elektrik atau kimia.
4 elektron valens
Separuh pengalir
Keadaannya adalah di antara perantaraan Pengalir dan Penebat.
Tidak mudah untuk membuang / menerima elektron valens daripada atom yang lain.
4
SEPARUH PENGALIR E1002 / 1.1.2 Silikon Dan Germanium sebagai Contoh Separuh Pengalir.
Selepas ini kita akan melihat lebih lanjut mengenai separuh pengalir kerana ia banyak digunakan dalam pembuatan komponen-komponen elektronik (contohnya diod, transistor dan litar bersepadu).
Dalam pembuatan, dua bahan separuh pengalir yang sering digunapakai ialah Silikon dan Germanium.
Cuba kita lihat struktur atom bagi Silikon dan Germanium. (Rujuk rajah 1.2 dan 1.3).
Dari rajah, kita dapat melihat pada lapisan terakhir (lapisan valens) kedua-dua atom berikut mengandungi 4 elektron valens. Untuk makluman anda, elektron valens adalah pembawa arus.
Seandainya satu-satu atom yang mempunyai 4 elektron valens ia dianggap tidak stabil. Ia akan cuba melengkapkan elektron valensnya dari 4 e.v ke 8 e.v dengan cara mengikut atom lain dan berkongsi elektron. Perkongsian elektron ini disebut Ikatan Kovelen.
5
Rajah 1.2Struktur Atomik bagi
Silikon
Rajah 1.3Struktur Atomik bagi
Germanium
lapisan valensyang mengandungi4 elektron valens
14
32
Bilangan maksima elektron dalam satu-satu lapisan ditentukan oleh rumus :
2 x n 2
Nilai elektron valens pada lapisan valens menentukan sifat sesuatu bahan, samada pengalir, penebat atau separuh pengalir.Pengalir : 1 3 e.vPenebat : 5 8 e.vSeparuh Pengalir : 4 e.v
Sifat separuh pengalir berada di antara sifat penebat dan Pengalir. Ia tidak mudah melepaskan elektron seperti Pengalir dan Ia tidak mudah menerima elektron seperti Penebat.
Contoh 2 separuh pengalir yang sering digunakan ialah Silikon dan Germanium.
Ikatan Kovelen ialah perkongsian elektron valens satu atom dengan elektron valen atom jirannya.
SEPARUH PENGALIR E1002 /
1.1.2.1 Ikatan Kovalen :
Rajah 1.4 , menunjukkan susunan atom atom silikon. (Oleh sebab keadaan yang menentukan sifat separuh pengalir atau tidak adalah bergantung kepada elektron valens di lapisan valens sahaja, maka kita ringkaskan rajah dengan hanya melukis bahagian lapisan luar sahaja)
Cuba anda bilang jumlah elektron yang terdapat pada atom silikon di bahagian tengah yang telah berkongsi semua elektronnya dengan atom jiran. Kita akan mendapati ia kelihatan seolah-olah mempunyai 8 elektron valens.
Ini menjadikan setiap setiap atom itu stabil dan ikatannya teguh. Ia akan berkelakuan seolah-olah penebat pada suhu bilik. Tetapi terdapat beberapa faktor yang dapat mengganggu kestabilan atom tersebut iaitu : Faktor haba, kenaikan suhu, bezaupaya dan proses serapan.
Seandainya satu voltan kecil diberikan melintasi bahan ini, hanya arus kecil akan terbina ( sedikit elektron terbebas ). Tiba-tiba suhu meningkat, banyak elektron akan meninggalkan ikatan . Pada masa yang sama voltan kecil tadi masih terus dibekalkan, ini akan menyebabkan ada arus mengalir ( pergerakan elektron bebas ). Pada masa ini ia akan bersifat seolah-olah pengalir.
6
- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
Si
Si
SiSiSi
Rajah 1.4 : Ikatan Kovalen
Si
Si
Si
Si
Bilangan maksima elektron dalam satu-satu lapisan ditentukan oleh rumus :
2 x n 2
Nilai elektron valens pada lapisan valens menentukan sifat sesuatu bahan, samada pengalir, penebat atau separuh pengalir.Pengalir : 1 3 e.vPenebat : 5 8 e.vSeparuh Pengalir : 4 e.v
Sifat separuh pengalir berada di antara sifat penebat dan Pengalir. Ia tidak mudah melepaskan elektron seperti Pengalir dan Ia tidak mudah menerima elektron seperti Penebat.
Contoh 2 separuh pengalir yang sering digunakan ialah Silikon dan Germanium.
Ikatan Kovelen ialah perkongsian elektron valens satu atom dengan elektron valen atom jirannya.
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Jika dibandingkan diantara silikon dan germanium, silikon boleh menerima haba yang lebih sebelum ia menjadi pengalir. Ini akan dapat mengelakkan komponen yang menggunakan separuh pengalir ini dari mudah rosak.
Jadi oleh kerana barangan pengguna memerlukan bekalan kuasa masukan ( dan boleh menghasilkan haba ), kebanyakkan dari komponen separuh pengalir diperbuat dari silikon.
7
- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
Bilangan maksima elektron dalam satu-satu lapisan ditentukan oleh rumus :
2 x n 2
Nilai elektron valens pada lapisan valens menentukan sifat sesuatu bahan, samada pengalir, penebat atau separuh pengalir.Pengalir : 1 3 e.vPenebat : 5 8 e.vSeparuh Pengalir : 4 e.v
Sifat separuh pengalir berada di antara sifat penebat dan Pengalir. Ia tidak mudah melepaskan elektron seperti Pengalir dan Ia tidak mudah menerima elektron seperti Penebat.
Contoh 2 separuh pengalir yang sering digunakan ialah Silikon dan Germanium.
Ikatan Kovelen ialah perkongsian elektron valens satu atom dengan elektron valen atom jirannya.
Tips Penting :
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Sebelum anda ke input seterusnya, mari kita uji kefahaman anda dalam input ini melalui soalan-soalan aktiviti dibawah
1a-1. Faktor apakah yang membezakan bahawa sesuatu bahan itu merupakan pengalir, penebat atau separuh pengalir ?
1a-2. Padan suaikan gambarajah berikut dengan pasangan dan keterangannya .
1a-3. Atom __________dan ____________ mengandungi ____ elektron valens dan ia adalah ________________. Ia cuba menjadi stabil dengan ____________ elektron dengan atom lain.
1a-1. Faktor yang membezakan antara pengalir, separuh pengalir dan penebat ialah bilangan elektron valens pada lapisan valens.
1a-2
8
Hol
Elektron Bebas
Helium mengandungi 2 elektron.
PENGALIR
- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
Germanium mengandungi 32 elektron
L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
L1 : __L2 : __L3 : __L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
Fosforus mengandungi 15 elektron
32
PENEBAT
SEPARUHPENGALIR
tidak boleh mengalirkanarus.Rintangannya tinggiAtomnya stabil
-Ciri-cirinya berada di antara pengalir dan penebat.Ia tidak mudah membuang atau menerima elektron valens dari atom lain.
Helium mengandungi 2 elektron.
PENGALIR- boleh mengalirkan arus.- Rintangannya rendah- Elektron bebas senang terlepas dari ikatan.
Karbon mengandungi 6 elektron
Germanium mengandungi 32 elektron
L1 : _2_L2 : _-_L3 : _-_L4 : _-_L5 : _-_L6 : _-_L7 : _-_
L1 : _2_L2 : _4_L3 : _-_L4 : _-_L5 : _-_L6 : _-_L7 : _-_
L1 : _2_L2 : _8_L3 : _4_L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
L1 : _2L2 : _8_L3 : _5_L4 : __L5 : __L6 : __L7 : __
Fosforusmengandungi 15 elektron
32
+6
+6
PENEBAT
SEPARUHPENGALIR tidak boleh mengalirkan
arus.Rintangannya tinggiAtomnya stabil
-Ciri-cirinya berada di antara pengalir dan penebat.Ia tidak mudah membuang atau menerima elektron valens dari atom lain.
SEPARUH PENGALIR E1002 /
1a-3. Atom Germanium dan Silikon mengandungi 4 elektron valens dan ia adalah tidak stabil. Ia cuba menjadi stabil dengan berkongsi elektron dengan atom lain.
Sekiranya anda telah memahami semua penerangan dalam input ini, bolehlah anda teruskan ke input hadapan. Tetapi . Sekiranya tidak anda dinasihatkan berjumpa pensyarah anda
untuk mendapatkan penerangan tambahan kerana input hadapan adalah berdasarkan pemahaman dari input ini.
1.2 CIRI CIRI SEPARUH PENGALIR JENIS-N DAN JENIS-P.
Bahan jenis N dan jenis P sebenarnya terbentuk dari hablur germanium dan Silikon yang dicampur dengan atom-atom bendasing.
Sebelum itu, untuk lebih memahami tentang pembentukan kedua-dua bahan ini, eloklah kita perhatikan dahulu beberapa perkara asas yang perlu diketahui bagi pembentukan bahan N dan P :
1.2.1 Pembawa Arus Elektron bebas dan Hol :
9
Hol
Elektron Bebas
SEPARUH PENGALIR E1002 / Sekiranya Ikatan Kovalen terganggu kerana salah satu daripada faktor yang disebutkan sebelum ini, terdapat elektron yang akan terbebas dari ikatannya. ( rujuk rajah 1.5)
Oleh kerana elektron bercas negatif, maka elektron bebas ini dikenali sebagai Pembawa Arus Negatif.
Elektron yang terbebas akan meninggalkan ruang kosong yang kita sebut sebagai hol. Ruang ini bercas positif, jadi ia disebut sebagai Pembawa Arus Positif.
1.2.2 Semikonduktor Intrinsik :
Semikonduktor Intrinsik ialah semikonduktor tulin dan tidak mengandungi unsur asing sedikitpun di dalamnya. Contohnya seperti hablur Gemanium dan Silikon.
Semikonduktor Intrinsik ini tidak mempunyai sebarang keistimewaan.
1.2.3 Semikonduktor Ekstrinsik :
Bahan semikonduktor tulin seperti yang diterangkan diatas, sekiranya dicampurkan dengan bahan asing, ia akan menjadi tidak tulin lagi. Dalam keadaan ini ia akan menjadi bahan yang banyak kegunaannya.
10
Hol
Elektron Bebas
Rajah 1.5 : Kejadian Pembawa Arus
SEPARUH PENGALIR E1002 / Proses percampuran ini dikenali sebagai Proses serapan. Iaitu proses memperbanyakkan salah satu pembawa arus (elektron bebas atau hol) dalam semikonduktor .
Bendasing yang digunakan dikenali sebagai Trivalens (mempunyai 3 elektron valens) atau Pentavalens (mempunyai 5 elektron valens).
Contoh bendasing Trivalens ialah Aluminium, Boron, Galium dan Indium manakala contoh bendasing Pentavalens ialah Antimoni, Arsenik dan Fosforus.
Semikonduktor Ekstrinsik banyak digunakan dalam pembuatan komponen-komponen semikonduktor seperti diod, transistor dan litar bersepadu.
1.2.4 BAHAN JENIS-N :
Ia berlaku apabila semikonduktor tulin (contohnya Silikon) diserapkan dengan atom bendasing pentavalen (mempunyai 5 e.v)(rujuk rajah 1.6):
11
Elektron Bebas dari atom arsenik Yang tidak mempunyai pasangan
Si
Ar
SiSi Si
Si
Si Si Si
Si
Rajah 1.6Silikon diserapkan dengan Arsenik
SEPARUH PENGALIR E1002 / Empat daripada 5 elektron valens atom bendasing akan membentuk ikatan kovalen dengan atom-atom silikon tetapi terdapat satu elektron lagi yang tidak mempunyai pasangan.
Elektron ini akan terlepas dari orbitnya dan menjadi elektron bebas, iaitu pembawa arus negatif. Sekiranya lebih banyak bendasing pentavalen diserap maka lebih banyak lagi elektron bebas (atau pembawa arus negatif )
Oleh sebab inilah bahan ini dinamakan Bahan jenis-N.
Pada suhu amat rendah pembawa arus majoritinya ialah Elektron bebas.
Pada suhu bilik akan terhasil sedikit hol dan dikenali sebagai pembawa arus Minoriti.
1.2.5 BAHAN JENIS-P :
Berbeza dengan bahan jenis-N, bahan jenis-P pula terhasil apabila semikonduktor tulen diserapkan dengan bendasing Trivalens. (rujuk rajah 1.7)
12
Si
In
SiSi Si
Si
Si Si Si
Si
Rajah 1.7Silikon diserapkan dengan Indium
Hol
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Dari rajah dapat kita lihat yang tiga atom silikon membolehkan satu elektron valensnya membentuk ikatan kovelens tetapi satu lagi tidak dapat kerana kekurangan elektron valens bendasing. Kekosongan ini menyebabkan terbentuknya hol, iaitu pembawa arus Positif.
Lebih banyak atom bendasing trivalen diserap, makin banyak pembawa arus positif, atas sebab inilah ia disebut bahan jenisP.
Pada suhu amat rendah, pembawa arus majoritinya ialah hol-hol dan pada suhu amat tinggi, pembawa arus minoritinya ialah elektron.
13
FAKTA KUNCI :
SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor tulen Cth: Silikon & Germanium Tidak istimewa
SEMIKODUKTORINTRINSIK
SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK
Proses Serapan
Semikonduktor tulen yang bercampur dengan bendasing
Terdapat 2 jenis bendasing:
Trivalens Pentavalen -atom mempunyai 3 e.v-Cth : Aluminium & Indium
-atom mempunyai 5 ev-Cth :Antimoni & Arsenik
Trivalen + Semikonduktor
Tulen
Pentavalen + Semikkonduktor
TulenBahan Jenis-P Bahan Jenis - N
Pembawa arus Majoriti HolPembawa arus Minoriti - Elektron
Pembawa arus Majoriti-ElektronPembawa arus Minoriti - Hol
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Persamaan Bahan Jenis N dan P :
- kedua-dua dibina daripada bahan mentah silikon atau germanium- Kedua-dua dihasilkan melalui proses pendopan (serapan)- Kedua-duanya mempunyai elekton bebas dan hol sebagai pembawa
cas.
14
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Anda telah sampai ke akhir unit 1b, mari kita uji kefahaman anda dengan menjawab silangkata dibawah. Pastikan anda tidak merujuk jawapan dibelakang sebelum anda selesai menjawab :
1b-1 . Elektron bebas dikenali sebagai Pembawa Arus _____________
1b-2 . Ruang kosong yang disebut hol dikenali sebagai Pembawa Arus ___________
1b-3 . Bahan jenisN dan P dapat dihasilkan melalui Proses __________.
1b-4 . Bahan jenis N dihasilkan melalui percampuran Semikonduktor tulen dan bendasing _______________.
1b-5 . Bahan jenis P dihasilkan melalui serapan semikonduktor tulen dengan bendasing _______________.
1b-6 . Untuk bahan jenis-N Pembawa arus majoriti ialah _____________ Pembawa arus minoriti ialah _____________
1
3
5
24
7
6
15
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Sila semak jawapan anda, sekiranya anda tidak pasti pada satu-satu perkara, cuba rujuk input semula untuk mencari kepastian .
NE
S GE AR T TA I RP O S I T I F IA P E N T A V A L E NN A
H LO E
E L E K T R O N B E B A S
Tahniah ..anda telah sampai ke penghujung unit 1. Sila terus kebahagian penilaian kendiri untuk latihan-latihan menguji
kefahaman anda seterusnya
16
Ikatan Kovalen
PENILAIAN KENDIRIPENILAIAN KENDIRI
SEPARUH PENGALIR E1002 / Anda telah menghampiri kejayaan. Sila cuba semua soalan dalam
penilaian kendiri ini.. Pastikan anda menyemak jawapan di belakang setelah anda selesai menjawab .
Selamat mencuba
SOALAN 1 :
Lukiskan rajah struktur atom bagi :a) Germanium yang mempunyai no atom 32.b) Silikon yang mempunyai no atom 14.
Serta nyatakan sifat bahan-bahan tersebut .
SOALAN 2 :
Apakah Ikatan Kovelen dan lukiskan rajah yang menunjukkan Ikatan kovelen bagi Germanium.
SOALAN 3 :
Berikan 4 faktor yang membolehkan elektron terbebas dari ikatan Kovelen.
SOALAN 4 :
Untuk membolehkan bahan jenis N dan terhasil, semikonduktor tulen perlu diserapkan dengan bendasing. Apakah bendasing itu dan terangkan setiap satu dan berikan contoh rajah yang menerangkan semikonduktor tulen yang diserapkan dengan salah satu bendasing.
SOALAN 5 :
Nyatakan pembawa arus majoriti dan minoriti bagi bahan jenis N dan P .
17
Ikatan Kovalen
MAKLUMBALASPENILAIAN KENDIRI
MAKLUMBALASPENILAIAN KENDIRI
SEPARUH PENGALIR E1002 /
Sila semak jawapan anda. Sekiranya terdapat soalan-soalan yang anda tidak faham, anda harus berjumpa dengan pensyarah anda untuk mendapatkan penerangan yang lanjut.
JAWAPAN SOALAN 1 :
1.
Kedua-dua bahan adalah separuh pengalir kerana kedua-duanya mempunyai 4 elektron valens. Sifat bahannya adalah ia tidak mudah melepaskan elektron semudah pengalir dan ia juga tidak mudah menerima elektron semudah penebat.
JAWAPAN SOALAN 2 :
2. Ikatan Kovelen ialah proses perkongsian elektron valens sesuatu atom dengan elektron valens atom jirannya untuk membuatkan satu-satu atom itu berada dalam keadaan stabil.
JAWAPAN SOALAN 3 :
3. Faktor yang membolehkan elektron terbebas dari ikatan kovelen ialah:
i. Habaii. Beza Upayaiii. Kenaikan suhu
18
Struktur Atomik bagi Silikon
Struktur Atomik bagi Germanium
1432
Si
Si
SiSiSi
Ikatan Kovalen
Si
Si
Si
Si
SEPARUH PENGALIR E1002 / iv. Proses Serapan.
JAWAPAN SOALAN 4 :
4. Bendasing yang dimaksudkan ialah atom-atom lain yang mempunyai 5 dan 3 elektron valens. Kita namakan ia Bendasing Trivalens ( 3 e.v ) dan Bendasing Pentavalens ( 5 e.v )
Contoh Bendasing Trivalens ialah Aluminium, Boron, Galium, Indium.Contoh Bendasing Pentavalens ialah Antimoni, Arsenik, Fosforus.
JAWAPAN SOALAN 5 :
5. Bahan Jenis N : Pembawa Arus Majoriti : Elektron BebasPembawa Arus Minoriti : Hol
Bahan Jenis P : Pembawa Arus Majoriti : HolPembawa Arus Minoriti : Elektron Bebas.
19
Si
In
SiSi Si
Si
Si Si Si
Si
Silikon diserapkan dengan Indium
hol
SEMIKONDUKTORBahan Jenis-P