Sifat Listrik Material [PDF]

Citation preview

Bahan Ajar Fisika Teknik SIFAT LISTRIK MATERIAL



SIFAT LISTRIK MATERIAL



Bahan listrik dalam sistem tanaga listrik merupakan salah satu elemen penting yang akan menentukan kualitas penyaluran energi listrik itu sendiri . Bahan listrik yang sangat populer selama ini meliputi konduktor, semikonduktor, dan isolator. Satu lagi yang dikenal dengan super konduktor , namun masih dalam penelitian intensif para ahli . Ketiga bahan tadi secara integratif dalam sistem kelistrikan dimanfaatkan secara optimal. Seperti konduktor adalah salah satu material paling besar yang dipakai dalam penyaluran tenaga listrik baik alumunium maupun tembaga atau campuran dengan bahan lain.



Suatu bahan dapat berbentuk padat , cair atau gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan besdasarkan wujud tersebut dalam teknik listik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut. 1. Bahan penghantar (Konduktor) 2. Bahan penyekat (Isolator) 3. Bahan setengah penghantar (Semi konduktor) Penghantar dalam teknik adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik , baik berupa zat padat , cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka di sebut konduktor . Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas , perak , tembaga , alumunium , zink, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar . jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik , tetapi sangat mahal harganya , maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan .



BAHAN KONDUKTOR Bahan konduktor merupakan penghantar listrik yang baik . Bahan ini mempunyai daya hantar listrik(Electrical Conductivity) yang besar dan tahanan listrik(Electrical resistance) yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel , kumparan/ lilitan yang ada pada alat listrik yang anda jumpai . Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik , bahan penghantar yang sering di jumpai adalah tembaga dan alumunium . Pada konduktor yang baik, jumlah elektron-elektron bebas, yaitu elektronelektron yang mempunyai energi cukup besar (terletak pada lintasan yang paling luar) adalah banyakdan bebas bergerak, misalkan pada bahan tembaga, setiap atom tembaga menyumbangkan 1 elektron bebas. Tembaga sebagai zat yang memiliki nomor atom 29, mempunyai satu elektron bebas pada kulit terluarnya.elektron ini yang bertugas untuk menghantarkan listrik ketika penghantar tersebut diberi tegangan. Tarikan antara elektron yang berada dalam edaran paling luar dan intinya adalah sangat kecil, hingga dalam suhu normal pun ada satu atau lebih elektron yang terlepas dari atomnya. Elektron bebas ini bergerak-gerak secara acak dalam ruang di celah atomatom. Gerakan elektron-elektron ini dinamakan bauran ( difusi ). Bahan-bahan yang bersifat konduktor biasanya digunakan untuk membuat alat-alat yang sifatnya membutuhkan kecepatan transfer energy, misalnya panci, setrika, kabel dan solder.



Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratanpersyaratan sebagai berikut. 1. Konduktifitasnya cukup baik. 2. Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi. 3. Koefisien muai panjangnya kecil. 4. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar



Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:  Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya. 



Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya.







Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).



Karakteristik konduktor Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor , yaitu : 1. Karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, untuk konduktor 70 mm berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30 oC, maka kemampuan maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A). 2. Karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya (dari SPLN 41-10 : 1991, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30 oC, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).



Sifat-Sifat Bahan Konduktor : Bahan-bahan listrik mempunyai sifat-sifat penting ,seperti : a. Daya hantar listrik b. Koefisian suhu tahanan c. Daya hantar panas d. Kekuatan tegangan tarik , dan e. Timbulnya daya eletro-motoris termo



a)



Daya Hantar Listrik Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1mm2 pada temperatur 200C



dinamakan hambatan jenis. Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : R= ρl/A dimana : R : Hambatan dalam penghantar, satuanya ohm (Ω) ρ : hambatan jenis bahan, dalam satuan ohm.mm2/m l : panjang penghantar, satuannya meter (m) A : luas penampang kawat penghantar, satuanya mm2 b)



Koefisien Temperatur Hambatan Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami perubahan volume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. Besarnya perubahan hambatan akibat perubahan suhu dapat diketahui dengan persamaan ; R = R0 { 1 + α (t – t0)}, dimana : R : besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu R0 : besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan suhu T : temperatur suhu akhir, dalam 0C t0 : temperatur suhu awal, dalam 0C α : koefisien temperatur tahanan nilai tahanan jenis , berat jenis dan titik cair dari bermacam-macam bahan dapat dilihat pada tabel 6.1 Nama bahan



Tahanan Jenis



Berat Jenis



Titik Cair



Perak



0,016



10,5



960



Tembaga



0,0175



8,9



1083



Cobalt



0,022



8,42



1480



Emas



0,022



19,3



1063



Alumunium



0,03



2,56



660



Molibdin



0,05



10,2



2620



Wolfram



0,05



19,1



3400



Seng



0,06



7,1



420



Kuningan



0,07



8,7



1000



Nikel



0,079



8,9



1455



Platina



0,1



21,5



1774



Nikeline



0,12



-



-



Timah putih



0,12



7,3



232



Baja



0,13



7,8



1535



Vanadium



0,13



5,5



1720



Bismuth



0,2



9,85



271



Mangan



0,21



7,4



1260



Timbel



0,22



11,35



330



Duralumunium



0,48



2,8



-



Manganin



0,48



-



-



Konstanta



0,5



8,9



-



Air raksa



0,958



13,56



-38,9



Bahan penghantar yang paling banyak dipakai adalah tembaga , karena tembaga merupakan bahan penghantar yang paling baik setelah perak dan harganya pun murah karena banyak terdapat dimana-mana . Akhir-akhir ini banyak digunakan alumunium dan baja sebagai penghantar walaupun tahanan jenisnya cukup besar , hal ini dengan pertimbangan sangat berlimpah dan harganya menjadi lebih murah .



c) Daya Hantar Panas Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesin listrik beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi sedangkan bahanbahan bukan logam rendah.



d) Daya Tegangan Tarik Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan tersebut harus diketahui kekuatanya. Terutama menyangkut penggunaan dalam pendistribusian tegangan



tinggi. Penghantar listrik dapat berbentuk padat , cair , atau gas . yang berbentuk padat umumnya logam , elektrolit dan logam cair (air raksa) merupakan penghantar cair , dan udara yang diionisasikan dan gas-gas mulia (neon) ,kripton ,dsb) sebagai penghantar bentuk gas .



e) Timbulnya daya Elektro-motoris Termo Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya elektro-motoris termo tersendiri bila terjadi perubahan temperatur suhu. Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi, sehingga dalam pengaturan arus dan tegangan dapat menyimpang meskipun sangat kecil. Besarnya perbedaan tegangan yang dibangkitkan tergantung pada sifat-sifat kedua bahan yang digunakan dan sebanding dengan perbedaan temperaturnya. Daya elektromotoris yang dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan daya elektromotoris termo.



BAHAN ISOLATOR Bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Pada isolator semua elektron terikat pada atomnya dan tidak ada elektron yang bebas. Jenis bahan seperti ini digolongkan sebagai penyekat atau bukan penghantar (Isolator). Penyekatan listrik dimaksudkan agar arus listrik tidak dapat mengalir jika pada bahan penyekat tersebut diberi tegangan listrik. Bahan yang bersifat isolator seluruh lintasan elektronnya memiliki ikatan yang kuat dengan intinya atau dengan kata lain pada bahan isolator tidak mempunyai elektron bebas sehingga walau diberi tegangan listrik tidak akan membuat elektron – elektronnya bergerak. Hampir seluruh bahan non logam adalah isolator. Contoh isolator adalah keramik, asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet, gelas, dkaca, karet, kayu dll.



Dalam bahan isolator , elektron-elektron tidak bebas bergerak . Hal ini karena setiap atom dari bahan isolator terikat dengan kuat. Pada isolator, setiap muatan elektron dipegang erat oleh inti atomnya, sehingga pada suhu ruangan/normal tidak mungkin adanya pengaliran arus listrik. Pembagian Kelas Bahan Penyekat Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas berdasarkan suhu kerja maksimum, yaitu sebagai berikut: 1. Kelas Y, suhu kerja maksimum 90°C Yang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis (seperti Katun, sutera alam, wol sintetis, rayon serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, polivinil, karet, dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis atau bahan pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang dapat lunak pada suhu rendah. 2. Kelas A, suhu kerja maksimum 150°C Yaitu bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan vernis dan poliamil atau yang terendam dalam cairan dielektrikum (seperti penyekat fiber pada transformator yang terendam minyak). Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo dan damarpolyamide.



3. Kelas E, suhu kerja maksimum 120°C Yaitu



bahan



penyekat



kawat



enamel



yang



memakai



bahan



pengikat



polyvinylformal, polyurethene dan damar epoxy dan bahan pengikat lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks dan tekstolit, film triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate.



4. Kelas B, suhu kerja maksimum 130°C Yaitu Yaitu bahan non-organik (seperti : mika, gelas, fiber, asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya). 5. Kelas F, suhu kerja maksimum 155°C Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi. 6. Kelas H, suhu kerja maksimum 180°C Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni. 7. Kelas C, suhu kerja diatas 180°C Bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas C yaitu politetra fluoroetilen (Teflon). Macam-macam bahan penyekat 



Bahan penyekat bentuk padat, bahan listrik ini dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, diantaranya yaitu: bahan tambang, bahan berserat, gelas, keramik, plastik, karet, ebonit dan bakelit, dan bahan-bahan lain yang dipadatkan.







Bahan penyekat bentuk cair, jenis penyekat ini yang banyak digunakan pada teknik listrik adalah air, minyak transformator, dan minyak kabel.







Bahan penyekat bentuk gas, yang sering digunakan untuk keperluan teknik listrik diantaranya: udara, nitrogen, hidrogen, dan karbondioksida.



BAHAN SEMIKONDUKTOR Semikonduktor adalah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Konduktivitas semikonduktor berkisar antara 103 sampai 10-8 siemens per sentimeter dan memiliki dan celah energinya lebih kecil dari 6 eV . Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar. Bahan semikonduktor dapat berubah sifat kelistrikannya apabila temperatunya berubah. Dalam keadaan murninya mempunyai sifat sebagai penyekat ;sedangkan pada temperatur kamar ( 27 ° C ) dapat berubah sifatnya menjadi bahan penghantar. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnet, tetapi pada semikonduktor sifatsifat tersebut sangat sensitif.Untuk menjelaskan konduktivitas bahan seringkali menggunakan konsep pita energi. Ada 2 pita energi yaitu pita valensi adn pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh elektron dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2 N elektron dengan N adaalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisis pita konduksi. Pada suhu0 K, pita konduksi terisi sebagian untuk bahan konduktor, sedangkan untuk isolator dan semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita konduksi. Sifat Bahan Semikonduktor Semikonduktor adalah bahan yang terletak di antara konduktor dan isolator. Contoh, silikon, germanium, antimon, dll. Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atomatomnya. Pita energi adalah kelompok tingkat energi elektron dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi 3, yaitu:



1. Jalur valensi Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan ato-atom yang membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi. 2. Jalur konduksi Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik. 3. Jalur larangan Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.Yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg). Satuan energi gap adalah elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt setara dengan 1,60 x 10-19 Joule. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Energi gap germanium pada suhu ruang (300K) adalah 0,72 eV, sedangkan silikon adalah 1,1 eV. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai sebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.



Karakteristik Bahan Semikonduktor Semikonduktor elemental terdiri atas unsur – unsur pada system periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbon semikonduktor ditemukan dalam bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser. Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang



stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS. II B



Zn Zink Cd Cadmium Hg Mercury



III A IV A VA B C N Boron Carbon Nitrogen Al Si P Aluminium Silikon Phosphorus Ga Ge As Galium Germanium Arsenic In Sn Sb Indium Tin Antimony Pb Bi Lead Bismuth



VI A



S Sulfur Se Selenium Te Tellurium



Jenis-Jenis atau Klasifikasi Semikonduktor Berdasarkan



murni



atau



tidak



murninya



bahan,



semikonduktor



dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. 1. Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Perhatikan gambar berikut :



Pada



kristal



semikonduktor



instrinsik



Si,



sel



primitifnya



berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah electron bersama () oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut teori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7.



Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Gambar 2.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi. Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.



Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dariikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar 2.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.



Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus. Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”. Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai: J npqn p Dimana: n dan p = konnsentrasi elektron dan lubang (m-3) n lubang (m2 V-1 s-1) p = mobilitas elektron dandan n p q n p konduktivitas (S cm-1)= Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni, jumlah lubang sama dengan jumlah elektron. Beberapa properti dasar silikon dan germanium diperlihatkan pada tabel dibawah ini : Properti



Silikon



Germanium



Energi terlarang/gap (eV)



1,1



0,67



Mobilitas elektron, (m2V-1s-1 )



0,135



0,39



Mobilitas lubang, (m2V-1s-1 )



0,048



0,19



Konsentrasi intrinsik, ni (m-3 )



1,5 ´ 1016



2,4 ´ 1019



Resistivitas intrinsik, ( 9 m)



2300



0,46



2. Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)



Silikon yang didoping dengan phosphor Terbentuk dari semikonduktor murni yang dikotori oleh atom dopping sebagai penghasil elektron konduksi atau hole. Terdiri atas dua tipe: Tipe – N (Silikon + Phospor atau Arsenic) dan Tipe – P (Silikon + Boron, Galium atau Indium). Semikonduktor ekstrinsik terbentuk melalui mekanisme doping, yang dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen sehingga diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. Mekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikan atom pengotor ke bahan semikonduktor murni sehingga apabila atom pengotor memiliki kelebihan elektron valensi (valensi 5) akan terdapat elektron bebas yang dapat berpindah. Karena mengandung atom-atom pengotor, pembawa muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja. Apabila semikonduktor murni diberikan pengotor dengan valensi kurang (valensi 3) maka akan terbentuk area kosong (hole) yang menjadi pembawa muatan. Mekanisme ini menentukan jenis semikonduktor yang dibentuk (tipe – N atau tipe – P). a. Semikonduktor tipe-n Dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atomatom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah



elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 2.3). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar dibawah ini :



b. Semikonduktor tipe-p Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipep dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada silikon



semikonduktor murni.



murni,



misalnya



Atom-atom



pengotor



(dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon



yang tidak berpasangan yang disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Pada bahan semikonduktor yang bertindak sebagai pembawa muatan dengan sebagian terbesar berupa lubang-lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak murni, dan sebagian kecil berupa electron-elektron bebas yang dihasilkan oleh energi terminal. Dipihak lain, dalam semikonduktor tipe-n , sebagian terbesar dari pembawa muatan adalah electron-elektron bebas dan hanya mengandung lubanglubang yang berjumlah kecil. Jika dipakai secara terpisah, baik semikonduktor tipe n maupun semikonduktor tipe p, masing-masing tidak lebih berguna dari sebuah penghambat (resistor) karbon. Tetapi, dengan memasukkan tak-murnian kedalam suatu kristalsedemikian rupa hingga bertipe p, maka hasilnya berupa suatu penghantar satu arah. Pembahasan berikut ini akan menjelaskan mengapa demikian. Kita tinjau suatu atom netral. Atom ini mempunyai elektron dan proton yang sama jumlahnya. Misalkan bahwa ialah satu elektronnya disingkirkan. Sebagai akibatnya, atom tersebut mempunyai suatu muatan positif dan disebut ion positif. Sebaliknya, jika suatu atom netral diberi satu elektron tambahan, atom akan bermuatan negatif dan dikenal sebagai ion negatif.



Pembawa-pembawa mayoritas dan ion-ion. Gb.1.lubang-lubang dan ionion negative. Gb.2. elektron-elektron bebas dan ion-ion positif Gambar tersebut menunjukkan suatu semikonduktor tipe p. Masing-masing tanda plus lambang dari suatu lubang, sedangkan masing-masing tanda minus yang



dilingkari itu merupakan representasi suatu atom akseptor yang mengandung bahan lubang-lubang tersebut. Secara bersama lubang dan atom akseptor merupakan satuan yang netral. Namun bila suatu lubang menghilang karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron, maka atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negatif yang berlebihan dan menjadi ion negative. Dalam keadaan yang ditunjukkan gambar1, bahan tipe p tersebut netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda minus. Begitu pula dalam gambar 2 telah ditunjukkan semikonduktor tipe n. Disini tanda minus melambangkan elektron bebas, tanda plus melambangkan elektron bebas, sedangkan tanda yang dilingkari itu melambangkan atom donor yang mengandung elektron bebas dalam orbitnya. Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor bersangkutan merupakan satuan yang netral. Jika salah satu elektron tersebut meninggalkan orbitnyadari sekeliling atom donor dan pindah ke orbit atom lain, maka atom donor itu menjadi ion positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini tidak dapat bergerak leluasa karena terikat dalam struktur kristalnya. Tipe n itu bersifat netral karena mengandung tanda minus dan tanda plus yang jumlahnya sama. Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalam tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni.



Elemen



semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada berikut:



Elemen semikonduktor pada tabel periodik



c. Resistansi Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu sendiri.



Penggunaan Bahan Semikonduktor Semikonduktor merupakan terobosan dalam teknologi bahan listrik yang memungkinkan pembuatan komponen elektronik dalam wujud mikro, sehingga peralatan elektronik dapat dibuat dalam ukuran yang lebih kecil. Beberapa komponen elektronik yang menggunakan bahan semikonduktor yaitu: 1. Transistor Transistor merupakan komponen elektronik yang dibuat dari materi semikonduktor yang dapat mengatur tegangan dan arus yang mengalir melewatinya dan dapat berfungsi sebagai saklar elektronik dan gerbang elektronik. Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.



Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal, yaitu Basis (B), Emitor (E) dan Kolektor (C). Tegangan yang di satu terminalnya misalnya Emitor dapat dipakai untuk mengatur arus dan tegangan yang lebih besar daripada arus input Basis, yaitu pada keluaran tegangan dan arus output Kolektor. Transistor merupakan komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil (stabilisator) dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagaisaklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori dan fungsi rangkaian-rangkaian lainnya. Macam-macam semikonduktor dan penggunaannya Penggunaannya Nama Semikonduktor Barium Titinate (BaTi)



Termistor (PTC)



Bismut Telurida (Bi2Te3)



Konversi Termoelektrik



Cadmium sulfida (CdS)



Sel foto conductif



Gallium Arsenida (GaAs)



Dioda, Transistor, laser, LED



Germanium (Ge)



Dioda, Transistor



Indium Antimonida (In Sb)



Magneto resistor, resistor, detektor, radiasi infrared



Indium Arsenida (In As)



Piezo resistor



Silikon (Si)



Dioda, transistor, IC



Silikon Carbida (Si Cb)



Vasistor



Seng Sulfida (Zn S0



Perangkat penerangan elektro



Germanium Silikon (Ge Si)



Pembangkitan Termoelektrik



Selenium (Se)



Rectifier



Alumnium Stibium (Al Sb)



Dioda penerangan



Gallium Phospor (Ga P)



Dioda penerangan



Indium Phospor (In P)



Filter infra merah



Tembaga oksida



Rectifier



Plumbun Sulfur (Pb S)



Foto sel



Plumbun Selenium (Pb Se)



Foto sel



Indium Stibium (In Sb )



Detector infra merah