SIFAT LISTRIK MATERIAL
Bahan listrik dalam sistem tanaga listrik merupakan 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 konduktor , namun masih dalam penelitian intensif para ahli . Ketiga bahan tadi secara integratif dalam sistem kelistr kelistrika ikan n dimanfa dimanfaatk atkan an secara secara optima optimal. l. Seperti Seperti konduk konduktor tor adalah adalah salah salah satu satu mate materia riall palin paling g besa besarr yang yang dipa dipaka kaii dalam dalam peny penyal alura uran n tena tenaga ga listr listrik ik baik 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 tersebu tersebutt dalam dalam teknik teknik listik listik bahanbahan-bah bahan an juga juga dapat dapat dikelo dikelomp mpokk okkan an sebaga sebagaii berikut. 1. Bahan Bahan pengha penghanta ntarr Kon Konduk duktor tor!! ". Baha Bahan n peny penyek ekat at #so #sola lato tor! r! $. Bahan Bahan setenga setengah h penghan penghantar tar Semi Semi kondu kondukto ktor! r! %enghantar %enghantar dalam teknik adalah &at yang dapat menghantarkan menghantarkan arus listrik , baik berupa &at padat , cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka di sebut konduktor . Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil kecil.. %ada %ada umum umumny nyaa loga logam m bersi bersifat fat kond konduk uktif tif.. 'mas 'mas , pera perak k , temba tembaga ga , alumunium , &ink, 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 Bahan konduk konduktor tor merupa merupakan kan pengha penghantar ntar listri listrik k yang yang baik baik . Bahan Bahan ini mempunyai daya hantar listrik'lectrical (onducti)ity! yang besar dan tahanan listrik'lectrical resistance! yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk untuk mengalirkan arus listrik. %erhatikan fungsi kabel , kumparan* lilitan yang ada pada alat listrik listrik yang yang anda anda jumpai jumpai . +uga +uga pada pada saluran saluran transmi transmisi*d si*distr istribu ibusi. si. alam alam teknik teknik listrik listrik , bahan bahan pengha penghanta ntarr yang yang sering sering di jumpai jumpai adalah adalah tembag tembagaa dan alumunium . %ada 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 atom tembag tembagaa menyu menyumba mbangk ngkan an 1 elektro elektron n bebas. bebas. embag embagaa sebaga sebagaii &at yang yang memil emilik ikii nomor omor atom atom ", memp empuny unyai satu satu elek elektr tro on bebas ebas pada ada kulit ulit terlu terluar arny nya.e a.elek lektr tron on ini ini yang yang bert bertug ugas as untu untuk k meng mengha hant ntar arka kan n list listrik rik ketik ketikaa penghantar tersebut diberi tegangan. arikan antara elektron yang berada dalam edaran paling luar dan intinya adalah sangat sangat kecil, hingga hingga dalam suhu normal normal pun ada satu atau lebih elektron elektron yang terlepas dari atomnya. 'lektron bebas ini bergerak-gerak secara acak dalam ruang di celah atomatom. /erakan elektron-el elektron-elektro ektron n ini dinamakan dinamakan bauran difusi !. Bahan-bahan Bahan-bahan yang yang bersifa bersifatt konduk konduktor tor biasany biasanyaa diguna digunakan kan untuk untuk membua membuatt alat-al alat-alat at yang yang sifatnya membutuhkan kecepatan transfer energy, misalnya panci, setrika, kabel dan solder.
Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan persyaratan sebagai berikut. 1. Konduktifitasnya cukup baik. ". Kekuatan mekanisnya kekuatan tarik! cukup tinggi. $. Koefisien muai panjangnya kecil. 0. odulus kenyalnya modulus elastisitas! cukup besar
Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain2 • 3ogam biasa, seperti2 tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya. •
3ogam 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.
•
3ogam paduan composite!, yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan smelting! atau pengelasan welding!.
Karakteristik konduktor
4da " dua! jenis karakteristik konduktor , yaitu 2 1. Karakteristik mekanik, yang yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor dari S%35 01-62161, untuk konduk konduktor tor 78 mm berselu berselubun bung g 444(444(-S S pada pada suhu suhu sekitar sekitar $8 o(, maka maka kemampuan maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah "79 4!. ". Karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya dari S%35 01-18 2 11, untuk konduktor 78 mm" mm" berse berselu lubu bung ng 444(44(-S S pada pada suhu suhu seki sekita tarr $8 o(, maka maka kemamp kemampuan uan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adala h "79 4!.
Sifat-Sifat Bahan Konduktor
Bahan-bahan listrik mempunyai sifat-sifat penting ,seperti 2 a. aya hantar listrik b. Koefisian suhu tahanan c. aya hantar panas d. Kekuatan tegangan tarik , dan e. imbulnya imbulnya daya eletro-motoris termo
a!
Da"a Hantar Listrik
4rus 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 1mm" pada temperatur "88( dinamakan hambatan jenis. Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2 R# $%&A
dimana 2 : 2 ;ambatan dalam penghantar, satuanya ohm
Koefisien Te()eratur Ha('atan
elah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami perubahan )olume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. Besarnya perubahan hambatan akibat perubahan suhu dapat diketahui dengan persamaan > R # R * + , . /t 0 t *!12
dimana 2 : 2 besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu :8 2 besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan suhu 2 temperatur suhu akhir, dalam 8( t8 2 temperatur suhu awal, dalam 8( ? 2 koefisien temperatur tahanan nilai tahanan jenis , berat jenis dan titik cair dari bermacam-macam bahan dapat dilihat pada tabel @.1 Na(a 'ahan %erak
Tahanan 3enis 8,81@
Berat 3enis 18,9
Titik 4air @8
embaga
8,8179
6,
186$
(obalt
8,8""
6,0"
1068
'mas
8,8""
1,$
18@$
4lumunium
8,8$
",9@
@@8
olibdin
8,89
18,"
"@"8
Wolfram
8,89
1,1
$088
Seng
8,8@
7,1
0"8
Kuningan
8,87
6,7
1888
5ikel
8,87
6,
1099
%latina
8,1
"1,9
1770
5ikeline
8,1"
-
-
imah putih
8,1"
7,$
"$"
Baja
8,1$
7,6
19$9
Aanadium
8,1$
9,9
17"8
Bismuth
8,"
,69
"71
angan
8,"1
7,0
1"@8
imbel
8,""
11,$9
$$8
uralumunium
8,06
",6
-
anganin
8,06
-
-
Konstanta
8,9
6,
-
4ir raksa
8,96
1$,9@
-$6,
Bahan penghantar yang paling banyak dipakai adalah tembaga , karena temba tembaga ga meru merupa paka kan n baha bahan n peng pengha hant ntar ar yang yang pali paling ng baik baik setel setelah ah pera perak k dan dan hargan harganya ya pun murah murah karena karena banyak banyak terdapat terdapat dimana dimana-ma -mana na . 4khir 4khir-ak -akhir hir ini banyak digunakan alumunium dan baja sebagai penghantar walaupun tahanan jenisnya cukup besar , hal ini dengan pertimbangan sangat berlimpah dan harganya menjadi lebih murah .
5! Da"a Hantar 6anas
aya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap tiap satu satuan an wakt waktu. u. ipe iperh rhit itun ungk gkan an dala dalam m satua satuan n Kkal* Kkal*jam jam 8(. eruta erutama ma diperh diperhitu itungk ngkan an dalam dalam pemaka pemakaian ian mesin mesin listrik listrik beserta beserta perlen perlengka gkapan panya. ya. %ada %ada umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi sedangkan bahan bahan bukan logam rendah.
d! Da"a Te7an7an Tarik
Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran diatas tanah. leh leh sebab sebab itu, itu, bahan bahan yang yang dipaka dipakaii untuk untuk keperl keperluan uan tersebu tersebutt harus harus diketa diketahui hui kekuatanya. erutama menyangkut penggunaan dalam pendistribusian tegangan
tinggi. %enghantar 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! Ti('u%n"a da"a E%ektro-(otoris Ter(o
Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimb menimbulk ulkan an daya daya elektro elektro-mo -motor toris is termo termo tersend tersendiri iri bila bila terjadi terjadi peruba perubahan han temperatur suhu. aya aya elektro elektro-mo -motori toriss termo termo dapat dapat terjadi terjadi lebih lebih tinggi tinggi,, sehingg sehinggaa dalam 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. aya elektro-motor elektro-motoris is yang dibangkitkan dibangkitkan oleh perbedaan temperatur temperatur disebut disebut dengan dengan daya elektro-motoris termo.
BAHAN ISOLATOR
Bahan Bahan yang yang tidak tidak dapat dapat mengha menghantar ntarkan kan arus arus listrik listrik.. %ada %ada isolat isolator or semua semua elektron terikat pada atomnya dan tidak ada elektron yang bebas. +enis bahan seperti seperti ini digolo digolongk ngkan an sebaga sebagaii penyeka penyekatt atau atau bukan bukan pengha penghanta ntarr #sola #solator tor!. !. %enyekatan listrik dimaksudkan agar arus listrik tidak dapat mengalir jika pada bahan penyekat tersebut diberi tegangan listrik. Bahan yang bersifat isolator isolator seluruh seluruh lintasan elektronnya elektronnya memiliki ikatan yang yang kuat kuat deng dengan an intin intinya ya atau atau deng dengan an kata kata lain lain pada pada baha bahan n isola isolato torr tidak tidak mempun mempunya yaii elektro elektron n bebas bebas sehing sehingga ga walau walau diberi diberi tegang tegangan an listri listrik k tidak tidak akan akan membua membuatt elektro elektron n C elektro elektronny nnyaa berger bergerak. ak. ;ampir ;ampir seluruh seluruh bahan bahan non logam logam adalah isolator. (ontoh isolator adalah keramik, asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet, gelas, dkaca, karet, kayu dll.
alam bahan isolator , elektron-elektron tidak bebas bergerak . ;al ini karena setiap atom dari bahan isolator terikat dengan kuat. %ada isolator, setiap muatan elektron dipegang erat oleh inti atomnya, sehingga pada suhu ruangan*normal tidak mungkin adanya pengaliran arus listrik.
6e('a7ian Ke%as Bahan 6en"ekat
Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas berdasarkan suhu kerja maksimum, yaitu sebagai berikut2 1. Kelas Kelas D, D, suhu suhu kerja kerja maksim maksimum um 8E( 8E( Dang Dang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis seperti Katun, Katun, suter suteraa alam, alam, wol wol sint sinteti etis, s, rayon rayon serat serat poli poliam amid, id, kerta kertas, s, pres prespa pan, n, kayu kayu,, poliakrilat, polietilen, poli)inil, karet, dan sebagainya! yang tidak dicelup dalam dalam bahan bahan pernis pernis atau bahan bahan pencelu pencelup p lainny lainnya. a. ermas ermasuk uk juga juga bahan bahan termoplastik yang dapat lunak pada suhu rendah. ". Kelas 4, suhu kerja maksimum 198E( Daitu bahan berserat dari kelas D yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan )ernis dan poliamil atau yang yang tere terend ndam am dala dalam m cair cairan an diel dielek ektr trik ikum um sep seper erti ti peny penyek ekat at fibe fiberr pada pada transformator yang terendam minyak!. Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah dicelup, termasuk kawat email enamel! yang terlapis damaroleo
dan
damar-polyamide.
$. Kelas ', suhu kerja maksimum 1"8E( Daitu itu
bah bahan
peny enyekat ekat
kawat awat
enam enamel el
yang ang
memak emakai ai
bah bahan
pengi engik kat
poly)inylformal, polyurethene dan damar epoFy dan bahan pengikat lain sejenis
dengan dengan bahan bahan selulos selulosa, a, pertin pertinaks aks dan teksto tekstolit, lit, film triaceta triacetate, te, film dan serat serat polyethylene terephthalate. 0. Kelas Kelas B, B, suhu suhu kerja kerja maksim maksimum um 1$8E 1$8E( ( Daitu Daitu bahan non-organik seperti 2 mika, gelas, fiber, asbes! yang dicel dicelup up atau atau dire direkat kat menj menjad adii satu satu deng dengan an pern pernis is atau atau komp kompon on,, dan dan biasanya tahan panas dengan dasar minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya!. 9. Kelas Kelas G, G, suhu suhu kerja kerja maksim maksimum um 199E 199E( ( Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau )ernis yang tahan panas tinggi. @. Kelas Kelas ;, ;, suhu suhu kerja kerja maks maksimu imum m 168E( 168E( Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat kertas, katun, dan sebagainya!. alam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni. 7. Kelas Kelas (, suhu suhu kerja kerja diatas diatas 168E( 168E( 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. ;anya satu bahan organik saja yang termasuk kelas ( yaitu politetra fluoroetilen eflon!. Ma5a(-(a5a( 'ahan )en"ekat •
Bahan Bahan penyek penyekat at bentuk bentuk padat, padat, bahan bahan listrik listrik ini dapat dapat dikelom dikelompok pokkan kan menjad menjadii beberap beberapaa macam, macam, dianta diantarany ranyaa yaitu2 yaitu2 bahan bahan tamban tambang, g, bahan 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 minyak transformator, dan minyak minyak kabel.
•
Bahan penyekat bentuk gas, yang sering digunakan untuk keperluan teknik listrik listrik dianta diantarany ranya2 a2 udara, udara, nitrog nitrogen, en, hidrog hidrogen, en, dan karbon karbondio dioksi ksida. da.
BAHAN SEMIKONDUKTOR
Semiko Semikondu ndukto ktorr adalah adalah bahan bahan dengan dengan kond kondukti) ukti)itas itas listrik yang yang berada berada di antara insulator dan konduktor . Kondukti)itas semikonduktor berkisar antara 18 $ sampai 18-6 siemens per sentimeter sentimeter dan memiliki memiliki dan celah energinya energinya lebih kecil dari @ eA . Bahan Bahan semiko semikondu ndukto ktorr adalah adalah bahan bahan yang yang bersifa bersifatt seteng setengah ah konduk konduktor tor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energ energii bahan bahan isolato isolatorr tetapi tetapi lebih lebih besar besar dari dari celah celah energ energii bahan bahan konduk konduktor tor,, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya!. leh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar. Bahan semikonduktor dapat berubah sifat kelistrikannya apabila temperatunya berubah. alam keadaan murninya mempunyai sifat sebagai penyekat >sedangkan pada temperatur kamar "7 E ( ! 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 sifat-sifat tersebut sangat sensitif.Hntuk menjelaskan kondukti)i kondukti)itas tas bahan seringkali seringkali menggunakan menggunakan konsep pita energi. 4da " pita energi yaitu pita )alensi adn pita konduksi. %ita )alensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh elektron dari &at padat hingga komplit. Setiap pita memiliki " 5 elektron dengan 5 adaalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisis pita konduksi. %ada suhu8 K, pita konduksi teri terisi si
seba sebagi gian an untu untuk k
baha bahan n
kond konduk ukto tor, r, seda sedang ngka kan n
untu untuk k
isol isolat ator or dan dan
semikonduktor tidak ada elektron yang mengisi pita konduksi. Sifat Bahan Se(ikonduktor Se(ikonduktor
Semi Semiko kond nduk ukto torr adala adalah h baha bahan n yang yang terle terletak tak di anta antara ra kond konduk ukto torr dan dan isolator. (ontoh, silikon, germanium, antimon, dll. Sifat bahan, baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi
atom-ato atom-atomny mnya. a. %ita %ita energi energi adalah adalah kelomp kelompok ok tingka tingkatt energ energii elektr elektron on dalam dalam kristal. Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi dan cara elektro elektron n menemp menempati ati pita pita energ energii tersebu tersebut. t. %ita %ita energi energi dibeda dibedakan kan menjadi $, yaitu2 ,8 3a%u a%ur 9a% 9a%eensi nsi
%enyebab terbentuknya jalur )alensi adalah adanya ikatan atoatom yang membangun membangun kristal. %ada jalur ini elektron elektron dapat lepas dari ikatan atomnya jika mendapat energi. :8 3a%u 3a%urr kond konduk uksi si
+alur konduksi konduksi adalah tempat elektron-elektro elektron-elektron n dapat bergerak bebas karena pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. engan demikian elektron dapat bebas menghantarkan listrik. ;8 3a%u 3a%urr %ara %aran7 n7an an
+alur larangan adalah jalur pemisah antara jalur )alensi dengan jalur
konduksi.Dang konduksi.Dang
membedakan
apakah
bahan
itu
termasuk
konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi /ap 'g!. Satuan energi gap adalah elektron )olt eA!. Satu elektron )olt adalah energi yang diperlukan sebuah elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 )olt. Satu elektron )olt setara dengan 1,@8 F 18-1 +oule. 'nergi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan ko)alen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur )alens )alensii ke jalur jalur konduk konduksi. si. 'nerg 'nergii gap german germanium ium pada pada suhu suhu ruang ruang $88K! adalah 8,7" eA, sedangkan silikon adalah 1,1 eA. Bahan-bahan semikonduktor dengan energi gap yang rendah biasanya dipakai s ebagai bahan komponen elektronika yang dioperasikan pada suhu kerja yang rendah pula.
Karakteristik Karakteristik Bahan Se(ikonduktor Se(ikonduktor e%e(enta% terdiri atas unsur C unsur pada system periodik
golongan #A 4 seperti silikon Si!, /ermanium /e! dan Karbon (!.Karbon semiko semikondu ndukto ktorr ditemu ditemukan kan dalam dalam bentuk bentuk Kristal Kristal intan. intan.Sem Semiko ikondu ndukto ktorr intan intan
memili memiliki ki konduk kondukti) ti)itas itas panas panas yang yang tinggi tinggi sehingg sehinggaa dapat dapat diguna digunakan kan dengan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser. Se(ikonduktor 7a'un7an kompon! terdiri atas senyawa yang dibentuk dari
logam unsur periodik golongan ##B dan ###4 )alensi " dan $! dengan non logam pada golongan A4 dan A#4 )alensi 9 dan @! sehingga membentuk ikatan yang stabil )alensi 6!. Semikonduktor gabungan ### dan A misalnya /a4s dan #n%, sedangakan gabungan ## dan A# misalnya (de dan InS. II B
III A B Boron 4l 4luminiu m
In Iink
/a /alium
(d (admium ;g ercury
#n #ndium
I< A ( (arbon
Si Silikon /e /ermaniu m Sn in %b 3ead
S Sulfur
4s 4rsenic
Se Selenium
Sb 4ntimony Bi Bismuth
e ellurium
3enis-3enis atau K%asifikasi Se(ikonduktor
Berd Berdas asar arka kan n
murn murnii
atau atau
tida tidak k
murn murnin iny ya
baha bahan, n,
semi semiko kond nduk ukto tor r
dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. ,8 Se(ik Se(ikond ondukt uktor or Intrin Intrinsik sik
Semikondu Semikonduktor ktor intrinsik intrinsik merupakan merupakan semikonduk semikonduktor tor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau /e saja. %ada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 0 elektron )alensi berikatan dengan 0 atom Si lainnya. %erhatikan gambar berikut 2
%ada
krista stal
semi emikonduktor
instrin rinsik sik
Si,
sel sel
primi imitifny fnya
berbentuk kubus. #katan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikat ikatan an ko)a ko)ale len. n. ;al ;al ini ini diseb disebab abka kan n kare karena na adan adanya ya pema pemaka kaia ian n 1 buah buah electron bersama ! oleh dua atom Si yang berdekatan. enurut
teori
pita
energi,
pada T J 8
K
pita
)alensi
semiko semikondu ndukto ktorr terisi terisi penuh penuh elektro elektron, n, sedang sedangkan kan pita pita konduk konduksi si koson kosong. g. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 8,16 - $,7. Siliko Silikon n dan german germanium ium merupa merupakan kan dua jenis jenis semiko semikondu ndukto ktorr yang yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam dalam tabel tabel period periodik ik dan mempun mempunyai yai elektr elektron on )alens )alensii empat. empat. Strukt Struktur ur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron )alensi dengan atom-atom tetangganya. /ambar /ambar ".1 memperl memperliha ihatka tkan n bentuk bentuk ikatan ikatan ko)alen ko)alen dalam dalam dua dimensi dimensi.. %ada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat terikat dengan dengan erat sehing sehingga ga tidak tidak terdapat terdapat elektro elektron n bebas bebas atau atau silikon silikon bersifat sebagai insulator.
Ikatan kovalen silikon dalam dua dimensi 'nergi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan ko)alen adalah sebesar 1,1 eA untuk silikon dan 8,7 eA untuk germanium. %ada temperatur ruang $88K!, sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dariikatan dan tereksitasi dari pita )alensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas gambar "."!. Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita )alensi ke pita konduksi ini disebut energi
terlaran terlarang g energ energy y gap!. gap!. +ika +ika sebuah sebuah ikatan ikatan ko)alen ko)alen terput terputus, us, maka maka akan akan terja terjadi di keko kekoso song ngan an atau atau luba lubang ng hol hole!. e!. %ada %ada daer daerah ah dima dimana na terjad terjadii kekoso kekosonga ngan n akan akan terdapa terdapatt kelebih kelebihan an muatan muatan positif positif,, dan daerah daerah yang yang ditemp ditempati ati elektro elektron n bebas bebas mempun mempunya yaii kelebi kelebihan han muatan muatan negatif negatif.. Kedua Kedua muatan muatan inilah inilah yang yang memberi memberikan kan kontrib kontribusi usi adanya adanya aliran aliran listrik listrik pada pada semikonduktor murni. +ika elektron )alensi dari ikatan ko)alen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
Struktur kristal silikon memperlihatkan adanya sebuah ikatan kovalen yang terputus. %roses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arus driftL dapat dituliskan sebagai berikut %eristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah adalah akibat akibat adanya adanya dua partike partikell masing masing-ma -masin sing g bermua bermuatan tan positi positiff dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrikL. 4kibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai2 3
n
)
=
n)
imana2 n dan p J konnsentrasi elektron dan lubang m-$! n lubang m" A-1 A-1 s-1! µ p J mobilitas elektron danµ dan (n p )M n p kondukti)itas S cm-1! σ = µ + µ J
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 2 6ro)erti Energi terlarang/gap terlarang/gap (eV) #obilitas elektron, (m$V%1s%1 (m$V%1s%1 ) #obilitas lubang, (m$V%1s%1 (m$V%1s%1 ) +onsentrasi intrinsik, ni (m%& ) -esistivitas intrinsik, ( m)
Si%ikon 1,1 ,1&' ,* 1,' 11! $&
>er(aniu( ,!" ,& ,1 $, 11 ,!
:8 Se(ikondu Se(ikonduktor ktor Ekstrinsi Ekstrinsik k /T /Tak Murni! Murni!
Silikon yang didoping dengan phosphor erbentuk dari semikonduktor murni yang dikotori oleh atom dopping sebagai penghasil elektron konduksi atau hole. erdiri atas dua tipe2 ipe C 5 Silikon N %hospor atau 4rsenic! dan ipe C % Silikon N Boron, /alium atau atau #ndium #ndium!. !. Semiko Semikondu ndukto ktorr ekstrin ekstrinsik sik terben terbentuk tuk melalu melaluii mekani mekanisme sme yang dimaks dimaksudk udkan an untuk untuk mendap mendapatk atkan an elektro elektron n )alens )alensii bebas bebas do)in7, yang dalam jumlah lebih banyak banyak dan permanen sehingga sehingga diharapkan diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. ekanisme ini dilakukan dengan jalan memberikan atom atom pengot pengotor or ke bahan bahan semiko semikondu ndukto ktorr murni murni sehingg sehinggaa apabil apabilaa atom atom pengotor memiliki kelebihan elektron )alensi )alensi 9! akan terdapat elektr elektron on bebas bebas yang yang dapat dapat berpin berpindah dah.. Karena Karena mengan mengandun dung g atom-ato atom-atom m pengotor, pembawa muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja. 4pabila semikonduktor murni diberikan pengotor dengan )alensi kurang )alensi $! maka akan terbentuk area kosong hole! yang menjadi pembawa
muatan. muatan. ekanisme ekanisme ini menentukan menentukan jenis semikonduk semikonduktor tor yang dibentuk tipe C 5 atau tipe C %!. a8 Se(i Se(iko kond nduk ukto torr ti)e ti)e-n -n apat dibuat dengan menambahkan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
penta)alen antimony, phosphorus phosphorus atau arsenic! pada silikon murni. 4tomatom atom pengot pengotor or dopan dopan!! ini mempun mempunya yaii lima lima elektro elektron n )alens )alensii sehing sehingga ga secara efektif memiliki muatan sebesar N9M. Saat sebuah atom penta)alen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron )alensi yang dapat membentuk ikatan ko)alen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan lihat gambar ".$!. engan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap siap menjad menjadii pembaw pembawaa muatan muatan dalam dalam proses proses hantara hantaran n listrik listrik.. ateria ateriall yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena Karena atom atom pengot pengotor or member memberika ikan n elektro elektron, n, maka maka atom pengot pengotor or ini disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar dibawah ini 2
'8 Se(i Se(iko kond nduk ukto torr ti)eti)e-) )
engan engan cara yang sama seperti pada semikondu semikonduktor ktor tipe-n, semikondu semikonduktor ktor tipe-p dapat dibuat dengan dengan menambahkan menambahkan sejumlah sejumlah kecil atom pengotor pengotor tri)alen aluminium, boron, galium atau indium! pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. 4tom-atom pengotor dopan! ini mempunyai tiga elektron )alensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan ko)alen. Saat sebuah
atom tri)alen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan ko)alen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yang disebut
lubang
hole!. a aterial ya yang di dihasilkan da dari pr proses
pengotoran
ini ini
dise disebu butt
semi semiko kond nduk ukto torr
tipe tipe-p -p kare karena na
mengha menghasil silkan kan pembaw pembawaa muatan muatan negati negatiff pada pada kristal yang netral. Karena atom pengotor menerima
elektron,
maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor
acceptor!.
%ada baha ahan semiko ikonduktor yang bertindak seb sebaga agai
pembawa
muatan dengan sebagian terbesar berupa lubang-lubang yang dihasilkan dengan pemasukan tak murni, dan sebagian kecil berupa electron-elektron bebas yang dihasil dihasilkan kan oleh energi energi termina terminal. l. ipiha ipihak k lain, lain, dalam dalam semiko semikondu ndukto ktorr tipe-n tipe-n , sebagian terbesar dari pembawa muatan adalah electron-elektron bebas dan hanya mengandung lubang-lubang yang berjumlah kecil. +ika dipakai secara terpisah, baik semikonduktor tipe n maupun semikonduktor tipe p, masing-masing tidak lebi lebih h berg bergun unaa dari dari sebua sebuah h peng pengha hamb mbat at resi resisto stor! r! karb karbon on.. etapi tapi,, deng dengan an memasukkan tak-murnian kedalam suatu kristalsedemikian rupa hingga bertipe p, maka hasilnya berupa suatu penghantar satu arah. %embahasan berikut ini akan menjelaskan mengapa demikian. Kita tinjau suatu atom netral. 4tom ini mempunyai elektron dan proton yang sama jumlahnya. isalkan bahwa ialah satu elektronnya disingkirkan. Sebagai akibatnya, atom tersebut mempunyai suatu muatan positif dan disebut ion positif. Sebalik Sebalikny nya, a, jika jika suatu suatu atom atom netral netral diberi diberi satu satu elektro elektron n tambah tambahan, an, atom atom akan akan bermuatan negatif dan dikenal sebagai ion negatif.
embaa%pembaa mayoritas dan ion%ion. 0b.1.lubang%lubang 0b.1.lubang%lubang dan ion% ion negative. 0b.$. elektron%elektron bebas dan ion%ion positi /ambar tersebut menunjukkan suatu semikonduktor tipe p. asing-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 merupa merupakan kan satuan satuan yang yang netral. netral. 5amun 5amun bila bila suatu suatu lubang lubang menghi menghilan lang g karena karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron, maka atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negatif yang berlebihan dan menjadi ion negati)e. alam keadaan yang ditunjukkan gambar1, bahan tipe p tersebut netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda minus. Begitu pula dalam gambar " telah ditunjukkan semikonduktor tipe n. isini tanda minus melambangkan elektron bebas, tanda plus melambangkan elektron bebas, sedangkan tanda yang dilingkari itu melambangkan atom donor yang mengan mengandun dung g elektr elektron on bebas bebas dalam dalam orbitn orbitnya. ya. Setiap Setiap elektro elektron n bebas bebas bersam bersamaa dengan atom donor bersangkutan merupakan satuan yang netral. +ika salah satu elektron tersebut meninggalkan orbitnyadari sekeliling atom donor dan pindah ke orbit atom lain, maka atom donor itu menjadi menjadi ion positif. Berbeda Berbeda dari elektronelektronelektro elektron n bebas, bebas, ion-io ion-ion n positi positiff ini tidak tidak dapat dapat berger bergerak ak leluasa leluasa karena karena terikat terikat dalam struktur kristalnya. ipe 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 memberi doping! ke dalam dalam silikon atau germanium murni. 'lemen semikonduktor beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada berikut2
Elemen semikonduktor pada tabel periodik
58 Resistansi
Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebua sebuah h resis resisto torr. Sama Sama sepert sepertii resis resisto torr karb karbon on,, semik semikon ondu dukt ktor or memi memili liki ki resistansi. (ara ini dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. 5amun besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada )olume semikonduktor itu sendiri.
6en77unaan Bahan Se(ikonduktor
Semikondu Semikonduktor ktor merupakan 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 s emikonduktor yaitu2 ,8 Transis sistor tor
ran ransis sisto torr meru merupa paka kan n komp kompon onen en elek elektr tron onik ik yang yang dibu dibuat at dari dari mater materii semi semiko kond nduk ukto torr yang yang dapa dapatt meng mengatu aturr tega tegang ngan an dan dan arus arus yang yang meng mengal alir ir mele melewat watiny inyaa dan dan dapa dapatt berfu berfung ngsi si sebag sebagai ai sakla saklarr elekt elektro roni nik k dan dan gerb gerban ang g elektronik. ransistor adalah alat adalah alat semikonduktor yang yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung switching!, stabilisasi tegangan, modulasi
sinyal atau sebagai fungsi lainnya. ransistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya B+! atau tegangan inputnya G'!, memung memungkin kinkan kan pengal pengaliran iran listrik listrik yang yang sangat sangat akurat akurat dari dari sirkui sirkuitt sumber sumber listriknya.
%ada umumnya, transistor memiliki $ terminal, yaitu Basis B!, 'mitor '! dan Kolektor (!. egangan yang di satu terminalnya misalnya 'mitor dapat dipakai untuk mengatur arus dan tegangan yang lebih besar daripada arus input Basis, yaitu pada keluaran tegangan dan arus output Kolektor. ransistor merupakan komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. alam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier penguat!. :angkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil stabilisator! dan penguat sinyal radio. alam rangkaian-rangkaian digital digital,, transistor digunakan sebagaisaklar sebagaisaklar ber berkec kecepa epatan tan tinggi tinggi.. Beberap Beberapaa transi transisto storr juga juga dapat dapat dirang dirangkai kai sedemi sedemikia kian n rupa rupa sehing sehingga ga berfun berfungsi gsi sebaga sebagaii logic logic gate, gate, memori memori dan fungsi fungsi rangkaian-rangkaian lainnya. Ma5a(-(a5a( se(ikonduktor dan )en77unaann"a Na(a Se(ikonduktor Barium itinate Bai! Bismut elurida Bi "e$! (admium sulfida (dS! /allium 4rsenida /a4s! /ermanium /e! #ndium 4ntimonida #n Sb!
6en77unaann"a ermistor %(! Kon)ersi ermoelektrik Sel foto conductif ioda, ransistor, laser, 3' ioda, ransistor agneto resis sistor, res resisto stor, detekto ktor,
#ndium 4rsenida #n 4s! Silikon Si! Silikon (arbida Si (b! Seng Sulfida In S8 /ermanium Silikon /e Si! Selenium Se! 4lumnium Stibium 4l Sb! /allium %hospor /a %! #ndium %hospor #n %! embaga oksida %lumbun Sulfur %b S! %lumbun Selenium %b Se! #ndium Stibium #n Sb !
radiasi infrared %ie&o resistor ioda, transistor, #( Aasistor %erangkat penerangan elektro %embangkitan ermoelektrik :ectifier ioda penerangan ioda penerangan Gilter infra merah :ectifier Goto sel Goto sel etector infra merah
