ANALISIS MEDAN LISTRIK DAN POTENSIAL SEMIKONDUKTOR PN JUNCTION SECARA NUMERIK MENGGUNAKAN APLIKASI MATLAB

PENDAHULUAN\ud Energi matahari menjadi salah satu sumber energi terbarukan yang mampu mengimbangi energi non terbarukan seperti bahan bakar fosil dan minyak bumi yang semakin berkurang dengan cara mengkonversinya dalam bentuk energi listrik. Adapun perangkat konversi ini menggunakan material semikonduktor atau biasa di kenal dengan sel surya (Sadegh Hesari, 2016).\ud Perkembangan sel surya menjadi topik yang terus menerus mendapat perhatian karena perangkat semikonduktor menjadi dasar dari industri elektronik yang telah menjadi industri terbesar di dunia sejak tahun 1998. Dioda menjadi salah satu perangkat elektronik yang banyak digunakan, berasal dari sambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n sehingga biasa disebut dengan sambungan p-n (PN junction) (Sze, S. M, 1985). Adapun teori yang berada di balik sistem operasi\ud PN junction salah satunya berkaitan dengan daerah deplesi (Sina Khorasani, 2016).\ud Persamaan dasar pada semikonduktor PN junction dapat di selesaikan dengan cara numerik mengggunakan metode Finite Difference karena sulit di selesaikan secara analitik (Renshaw John samuel, 2013). Variasi dari berbagai teori terkait PN junction sudah banyak digunakan sementara kontribusi besar untuk saat ini hanya sebatas memodifikasi metode numeriknya (Parisi, Antonino dkk, 2015) (Hamid Fardi, 2015) (Hamid Fardi, dkk, 2014) dan (Purwandari & Winata, 2013).\ud Berbagai penelitian telah dilakukan menggunakan metode yang beragam. Metode simulasi dengan software yang berbeda-beda seperti yang dilakukan oleh (Purwandari & Winata, 2013) dalam penentuan temperatur filamen optimum pada bahan menggunakan bantuan FEMLAB dalam perhitungan efisiensi sel surya. Penelitian lain dilakukan oleh (Parisi, Antonino dkk, 2015) menggunakan software C++ hasil simulasinya sesuai dengan data hasil eksperimen. Selain kedua software tersebut, MATLAB menjadi salah satu yang digemari karena fleksibel dan mudah untuk digunakan (Hamid Fardi, 2015) dan (Hamid Fardi, dkk, 2014).\ud Adapun simulasi yang akan kami lakukan adalah menganalisa medan listrik dan energi potensial pada sambungan PN semikonduktor dengan meninjau daerah deplesi menggunakan metode Finite Difference yang tersedia pada aplikasi MATLAB. Hasil ini diharapkan memperoleh simulasi yang lebih baik dari sebelumnya dan bisa memberikan kontribusi dalam melakukan penelitian ekperimen secara langsung.\ud LANDASAN TEORI\ud Semikonduktor adalah suatu bahan material dengan sifat konduktivitas diantara konduktor dan isolator (Xiulan Cheng, 2012). Bahan tertentu seperti germanium, silikon, karbon, dan sebagainnya yang tidak termasuk dalam kelompok konduktor seperti tembaga dan tidak pula sebagai isolator seperti kaca sehingga dapat disimpulkan bahwa konduktivitasnya lebih tinggi dari insulator dan lebih rendah dari logam yang kemudian dikenal sebagai semikonduktor. (Enderlein Rilf & Horing Normang J, 1997). Hal tersebut dapat terjadi ketika terdapat pengaruh suhu misalnya germanium menjadi isolator pada suhu rendah tetapi merupakan konduktor yang baik pada suhu tinggi (Sze, S.M, 1985). Berdasarkan kemurnian bahannya, semikonduktor dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik (Hu, C, 2009).\ud Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni yang hanya terdiri dari satu unsur misalnya Silikon (Si) atau Germanium (Ge) dan tidak terdapat atom pengotor (impuritas). Sedangkan, semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah diberi pengotor (doping) yaitu proses penambahan atom (impuritas) dari jenis lainnya pada semikonduktor murni. Berdasarkan pada jenis impuritas yang ditambahkan, semikonduktor ekstrinsik di bagi menjadi 2 tipe yaitu semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n (Hu, C, 2009). Dimana semikonduktor tipe p diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing bervalensi 3, misalnya Boron (B), Aluminium (Al) atau Galium (Ga) sedangkan semikonduktor tipe n dihasilkan dari semikonduktor murni yang\ud dikotori dengan atom asing bervalensi 5. Atom-atom pengotor yang biasa dipakai misalnya Fosfor (P) atau Arsen (As) yang bervalensi lima dalam konsentrasi tertentu.\ud Berdasarkan konsep pita energi semikonduktor menyatakan bahwa suatu bahan material dengan pita valensi yang hampir penuh dan pita konduksi yang hampir kosong yang dipisahan oleh celah energi yang sangat kecil (sekitar 1 eV). Kondsi pada suhu kamar menyebabkan beberapa elektron valensi dapat memperoleh energi yang cukup untuk memasuki pita konduksi dan kemudian menjadi elektron bebas (Kittel C, 2005). Tetapi pada suhu tersebut jumlah elektron bebas yang tersedia sangat sedikit. Oleh karena itu, pada suhu kamar, sepotong germanium atau silikon bukan sebagai konduktor yang baik atau bukan pula sebagai isolator sehingga bahan yang demikian disebut sebagai semikonduktor.\ud Pada kondisi kesetimbangan termal Energi fermi pada material semikonduktor p-n dengan catatan bahwa untuk semikonduktor tipe-p dekat dari pita valensi dan semikonduktor tipe-n dekat dari pita konduksi. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambung maka gradien dari arus konsentrasi paling besar terdapat di area sambungan akibat pembawa arus difusi. Saat hole terus menerus meninggalkan semikonduktor tipe-p, beberapa dari ion dekat dengan sambungan berpindah begitu pun dengan elektron yang ada di daerah n berpindah menyebabkan ion dekat dengan sambungan pun berpindah. Konsekuensinya, muatan negatif di semikonduktor tipe-n dan muatan positif di semikonduktor tipe-p membentuk suatu daerah netral yang disebut daerah deplesi dan menimbulkan medan listrik.\ud Daerah pada sambungan semikonduktor tipe-p atom akseptor akan menarik elektron sehingga terbentuk hole sedangkan pada bagian tipe-n terdapat sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dan mengisi kekosongan (Hu, C, 2009). Pada daerah sambungan juga terjadi proses difusi hole dari tipe-p ke tipe-n dan proses difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p. Proses difusi akan berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir. Akibat proses difusi hole dan elektron terbentuk suatu daerah tanpa muatan bebas (n=p) dengan menggap T=0 yang dikenal dengan daerah pengosongan atau daerah deplesi (Streetman B & S K Banerjee, 2006).Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis medan listrik dan energi potensial daerah deplesi semikonduktor p-n, Abrupt, dan Lineary Graded Junction menggunakan metode finite difference. Input parameter pada simulasi ini adalah titik diskritisasi, syarat batas, N_D, N_A, X_l, X_r, E_r, dan E_l menggunakan 3 skema, yaitu: Forward, Central, dan Backward. Setiap skema di uji coba, lalu diambil skema terbaik. Indikator penetapan skema terbaik adalah keluaran N (Distribusi Muatan) yang polanya sesuai dengan teori. Penilitian ini berhasil membangun simulasi sebaran distribusi muatan, medan listrik dan potensial di daerah deplesi dengan lebar yang digunakan x_l=-2 cm, x_r=2 cm dengan nilai N=1 cm-3 maka diperoleh hasil untuk sebaran medan listrik (E)=2 dan potensil (V)=4 V untuk Abrupt Junction dan untuk Linearly Graded Junction dengan nilai distribusi muatan (N) yang sama diperoleh hasil sebaran medan listrik (E)=-5 dan potensil (V)=-14 V. Divais tipe p-n Abrupt Junction dan Linearly Graded Junction menunjukkan sebaran distribusi dan medan listrik yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa distribusi muatan mempengaruhi distribusi medan listrik sedangkan luas daerah medan listrik dapat mempengarui nilai dari potensial built in