PERTEMUAN KE IV

PERTEMUAN KE IV

Dasar Teknik ElektroSTTNAS - Yogyakarta

Konduktor, Isolator dan Semi Konduktor

Pendahuluan Konduktor

• Apa bedanya :– Konduktor Listrik

• material yang dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah

– Konduktor Panas• material yang dapat menghantarkan panas dengan mudah

– Konductor Musik• orang yang memimpin pertunjukan musik, paduan suara,

simfoni, atau sejenisnya.– Konductor Bis Kota ?????

Konduktor Listrik• Penghantar dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat

menghantarkan arus listrik, baik berupa zat padat, cair atau gas. • Karena sifatnya yang konduktif maka disebut 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 karena

sangat mahal harganya, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan.

Konduktor Panas• Konduksi panas atau konduksi termal adalah penjalaran kalor tanpa disertai

perpindahan bagian-bagian zat perantaranya. Penjalaran ini biasanya terjadi pada benda padat.

• Kalor mengalir pada konduktor dari sisi yang bersuhu tinggi ke sisi yang bersuhu rendah. Jadi, pada konduktor, suhu terbagi sepanjang konduktor sehingga membuat semacam lintasan untuk mengalirkan panas dari tempat dengan jumlah panas lebih banyak (suhu tinggi) ke tempat dengan jumlah panas lebih sedikit (suhu rendah).

• Kuat penjalaran panas yang melewati kooduktor bergantung pada kemiringan pembagian suhu sepanjang konduktor sesuai hukum Fourier:

q adalah kuat konduksi, Tx pembagian suhu pada konduktor, dan k adalah konduktivitas panas.

PITA ENERGI

PENGERTIAN PITA ENERGI

• Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yangsama akan saling

berimpit dan membentuk pita

• Tingkat- tingkat energi pada digambarkan dengan cara yang sama dengan atom

tunggal.Interaksi anataratom pada kristal hanya terjadi pada elektron bagian

luar sehingga tingkat enrgi elektron pada orbit bagian dalam tidak berubah

• Pada orbit bagian luar terdapat elktron yang sangat banyak dengan tingkat-

tingkat energi yang berimpit satu sama lain

• Berdasarkan asas Pauli, dalam suatu tingkat energi tidak boleh terdapat lebih

dari satu elektron padakeadaan yang sama , maka apabila ada elektron yang

berada pada keadaan yang sama akan terjadi pergeseran tingkat energi

sehingga tidak pernah ada garis – garis energi yang bertindihan.

Gambar a. Tingkat-tingkat energi pada atom tunggal , b. Tingkat – tingkat energi pada kristal

a. b.

A. JENIS-JENIS PITA ENERGI

Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi penuh oleh electron,

pita konduksi adalah pita energi di atas pita valensi yang terisi sebagian atau tidak terisi oleh elektron.

• Pada umumnya, antara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut celah energi.

• Tiap pita energi mampu menampung : 2(2l +1) N elektron.

GAMBAR PITA ENERGI PADA NATRIUM

Konduktor

• Konduktor adalah bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang baik.

• Pada konduktor yang baik, jumlah elektron-elektron bebas, yaitu elektron-elektron yang mempunyai energi cukup besar (terletak pada lintasan yang paling luar) adalah banyak dan bebas bergerak, misalkan pada bahan tembaga, setiap atom tembaga menyumbangkan 1 elektron bebas.

Konduktor

• 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.

• Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil, misalnya air dan emas.

Pita Energi Konduktor

Isolator• Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik.

Hampir seluruh bahan non logam adalah isolator. Contoh isolator adalah asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet, udara 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.

• Apabila isolator diberi tegangan besar sehingga menghasilkan energi listrik yang mampu mengatasi energi pengikat elektron, elektron akan dapat berpindah. Dengan demikian isolator dapat mengalirkan arus listrik. Berdasarkan hal itu di katakan bahwa pada tegangan yang tinggi, isolator dapat berfungsi sebagai konduktor

Isolator Listrik• Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan

perpindahan muatan listrik. Dalam bahan isolator valensi elektronnya terikat kuat pada atom-atomnya. Bahan-bahan ini dipergunakan dalam alat-alat elektronika sebagai isolator, atau penghambat mengalirnya arus listrik.

• Isolator berguna pula sebagai penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya arus mengalir ke luar atau atara konduktor. Istilah ini juga dipergunakan untuk menamai alat yang digunakan untuk menyangga kabel transmisi listrik pada tiang listrik.

• Beberapa bahan, seperti kaca, kertas, atau Teflon merupakan bahan isolator yang sangat bagus. Beberapa bahan sintetis masih "cukup bagus" dipergunakan sebagai isolator kabel. Contohnya plastik atau karet. Bahan-bahan ini dipilih sebagai isolator kabel karena lebih mudah dibentuk / diproses sementara masih bisa menyumbat aliran listrik pada voltase menengah (ratusan, mungkin ribuan volt).

Contoh Isolator Listrik

Pita Energi Isolator

• Isolator memilki struktur pita energi seperti pada gambar berikut :

Pita Energi Isolator

• Pita konduksi tidak terisi oleh elektron, sedangkan celah energi antara pita valensi dan pita konduksi cukup besar ( sekitar 5 eV ) sehingga tidak ada elektron yang bergerak bebas .

• Oleh karena itu, apabila bahan isolator dihubungkan dengan sumber tegangan listrik , tidak akan terjadi aliran muatan

Semi Konduktor

Pengertian Umum• Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan

konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor.

• Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tatacara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya.

Pengertian Umum• Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa

berfungsi harus tahu spefikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

• Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron).

• Untuk informasi bagaimana semikonduktor digunakan sebagai alat elektronik

Pengertian Umum

Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan - bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.

Ilustrasi Bahan Semi Konduktor

• Sebuah atom tembaga (Cu) memiliki inti 29 ion positif (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-).  Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang  disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar. 

Ilustrasi Bahan Semi Konduktor• Orbit terluar ini disebut pita valensi dan

elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya. 

ikatan atom tembaga

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2).

Struktur dua dimensi kristal Silikon

DOPING

Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik

Tipe-N

Bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.

doping atom pentavalen

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

doping atom trivalen

Pita Energi Semikonduktor

• Struktur pita energi pada semikonduktur hampir sama dengan struktur

pita energi pada isolator .

• Akan tetapi celah energi antara pita valensi dan pita konduksi pada

isolator relatif kecil , yaitu sekitar 1,1 eV. Pada suhu rendah,

semikonduktur akan berperilaku seperti isolator, sedangkan pada suhu

tinggi elektron yang berada pada pita valensi akan memperoleh energi

kinetik yang mampu untuk memindahkan elektron ke pita konduksi

sehingga pada pita konduksi terdapat elektron yang dapat bergerak bebas.

Gambar pita energi semikonduktor pada suhu rendah

Celah terlarang besar

Celah terlarang kecil

Pita valensi

Pita konduksi

Konduktor Isolator Semi- konduktor

DISTRIBUSI ENERGI ZAT PADAT

kosong KosongKosong