Pengantar Elektronika

PENGANTAR ELEKTRONIKA
2011
ILHAM, S.Pd.
ELEKTRONIKA
Pengantar :
Dalam kehidupan sehari-hari kita banyak menemui suatu alat yang
mengadopsi elektronika sebagai basis teknologinya contoh ; Dirumah,
kita sering melihat televisi, mendengarkan lagu melalui tape atau CD,
mendengarkan radio, berkomunikasi dengan telephone. Dikantor kita
menggunakan komputer, mencetak dengan printer, mengirim pesan dengan
faximile, berkomunikasi dengan telephone. Dipabrik kita memakai
alat deteksi, mengoperasikan robot perakit, dan sebagainya. Bahkan dijalan
raya kita bisa melihat lampu lalu-lintas, lampu penerangan jalan yang secara
otomatis hidup bila malam tiba, atau papan reklame yang terlihat indah
berkelap-kelip dan masih banyak contoh yang lainnya.
Dari semua uraian diatas kita dapat membuktikan bahwa pada zaman
sekarang ini kita tidak akan lepas dari perangkat yang menggunakan
elektronika sebagai dasar teknologinya. Alat-alat yang menggunakan
dasar kerja elektronika seperti diatas biasanya disebut sebagai peralatan
elektronik (electronic devices)
Peralatan elektronik (Electronic Device)
Pengertian
- Elektronika merupakan ilmu yang mempelajari alat
listrik arus
lemah yang dioperasikan dengan cara
mengontrol aliran elektron atau partikel bermuatan listrik
dalam suatu
alat
seperti komputer,
peralatan
elektronik, termokopel, semikonduktor,
dan
lain
sebagainya.
- Ilmu yang mempelajari alat-alat
cabang dari ilmu fisika, sementara
pembuatan sirkuit elektroniknya
teknik elektro, teknik komputer, dan
dan instrumentasi.
seperti ini merupakan
bentuk desain dan
adalah bagian dari
ilmu/ teknik elektronika
Sejarah Perkembangan
Revolusi besar-besaran terhadap elektronika terjadi sekitar tahun 1960an, dimana saat itu mulai ditemukan suatu alat elektronika yang
dinamakan Transistor, sehingga dimungkinkan untuk membuat suatu alat
dengan ukuran yang kecil dimana sebelumnya alat-alat tersebut masih
menggunakan tabung-tabung facum yang ukurannya besar serta
mengkonsumsi listrik yang besar
Hanya dalam kurun waktu 10 tahun sejak ditemukan nya transistor,
ditemukan sebuah rangkaian terintegrasi yang dikenal dengan
IC (Integrated Circuit) merupakan sebuah rangkaian terpadu yang berisi
puluhan bahkan jutaan transistor di dalamnya. Sehingga kita bisa melihat
sebuah perangkat elektronika semakin kecil bentuknya tetapi semakin
banyak fungsinya sebagai contoh telephone genggam ( Handphone ) yang
anda pakai saat ini dengan telephone genggam yang anda pakai
beberapa tahun yang lalu. semua itu berkat revolusi Silikon sebagai
bahan dasar pembuatan Transistor dan IC atau CHIP.
Komponen Elektronika
Elektronika mempunyai 2 komponen diantaranya yaitu :
1. Komponen Pasif
Komponen pasif merupakan komponen yang dapat bekerja
tanpa sumber tegangan. Komponen pasif terdiri dari
Hambatan atau tahanan, kapasitor atau kondensator,
induktor atau kumparan dan transformator.
2. Komponen Aktif
Komponen
aktif merupakan
komponen
yang
tidak
dapat bekerja tanpa adanya sumber tegangan. Komponen
aktif terdiri dari dioda dan transistor.
1
TEORI DASAR ELEKTRONIKA
ATOM
Atom adalah satuan yang amat kecil dalam setiap bahan yang
ada di sekitar kita. Atom terdiri atas tiga jenis partikel
subatom:
 elektron, yang memiliki muatan negatif;
 proton, yang memiliki muatan positif;
 neutron, yang tidak bermuatan.
Gbr. 1.1 Gambar Model Atom
Setiap unsur adalah unik yang dibedakan oleh jumlah proton yang
terdapat dalam atom dari unsur tersebut. Setiap atom memiliki jumlah
elektron yang sama dengan jumlah proton; bila ada perbedaan atom
tersebut disebut ion.
Inti Atom
- Pusat dari atom disebut inti atom atau nukleus. Inti atom terdiri
dari proton dan neutron. Banyaknya proton dalam inti atom
disebut nomor atom, dan menentukan berupa elemen apakah
atom itu
- Ukuran inti atom jauh lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri,
dan hampir sebagian besar tersusun dari proton dan neutron,
hampir sama sekali tidak ada sumbangan dari elektron.
Lanjutan :
Proton dan neutron memiliki massa yang hampir sama, dan jumlah dari kedua
massa tersebut disebut nomor massa, dan beratnya hampir sama.
Massa dari elektron sangat kecil dan tidak menyumbang banyak kepada
massa atom.
Jumlah proton dan neutron menentukan tipe dari nukleus atau inti atom. Proton
dan neutron hampir memiliki massa yang sama, dan kombinasi jumlah, jumlah
massa, rata-rata sama dengan massa atomik sebuah atom. Kombinasi massa
dari elektron sangat kecil secara perbandingan terhadap massa nukleus, di
karenakan berat dari proton dan neutron hampir 2000 kali massa elektron.
Neutron
Neutron atau netron adalah partikel subatomik yang tidak
bermuatan (netral) dan memiliki massa 1.6749 × 10−27 kg,
sedikit lebih berat dari proton. Inti atom dari kebanyakan atom
terdiri dari proton dan neutron.
Perbedaan utama neutron dengan partikel subatomik lainya
adalah mereka tidak bermuatan. Sifat neutron ini membuat
penemuannya lebih terbelakang, dan sangat menembus,
membuatnya sulit diamati secara langsung dan membuatnya
sangat penting sebagai agen dalam perubahan nuklir.
Proton
Dalam fisika, proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif
sebesar 1.6 × 10−19 coulomb dan massa 1.6726231 × 10−27 kg, atau
sekitar 1800 kali massa sebuah elektron.
Suatu atom biasanya terdiri dari sejumlah proton dan neutron yang berada di
bagian inti (tengah) atom, dan sejumlah elektron yang mengelilingi inti
tersebut. Dalam atom bermuatan netral, banyaknya proton akan sama
dengan jumlah elektronnya. Banyaknya proton di bagian inti biasanya akan
menentukan sifat kimia suatu atom. Inti atom sering dikenal juga dengan
istilah nuklei, nukleus, atau nukleon (bhs Inggris: nucleon), dan reaksi yang
terjadi atau berkaitan dengan inti atom ini disebut reaksi nuklir.
Elektron
Elektron adalah partikel subatomik. Memiliki muatan listrik negatif sebesar 1.6 × 10−19 coulomb, dan massanya 9.10 × 10−31 kg.
Elektron umumnya ditulis sebagai e-. Elektron memiliki partikel lawan yang
dikenal sebagai positron, yang identik dengan dirinya namun bermuatan
positif.
Atom tersusun dari inti berupa proton dan neutron serta elektron-elektron yang
mengelilingi inti tadi. Elektron sangat ringan jika dibandingkan dengan proton
dan neutron.
Sebutir proton sekitar 1800 kali lebih berat daripada elektron.
Satuan energi eV (elektron volt)
Satuan Joule terlalu besar untuk digunakan dalam
perhitungan energi elektron. Untuk itu digunakan satuan
lain, yaitu : eV (elektron Volt).
Dalam pembahasan mengenai energi yang terlibat dalam
peralatan elektronik, suatu satuan kerja atau energi,
disebut elektron volt (eV) didefinisikan sebagai berikut:
1 eV = 1.6 × 10−𝟏𝟗 Joule
Lanjutan :
entu saja setiap jenis energi, apakah energi tersebut energi
listrik, mekanis, termal, dan sebagainya dapat dinyatakan
dalam elektron volt.
Nama satuan elektron volt, disebabkan oleh karena elektron
yang mengalami penurunan potensial 1 volt, energi kinetiknya
akan naik dengan penurunan energi potensial, atau
qV = (1,60 x 10-19C)(1V) = 1,60 x 10-19J = 1 eV
SIFAT ATOM
• Postulat Bohr
1. Tidak semua energi menurut mekanika klasik dapat terjadi, atom hanya dapat memiliki
energi-energi diskrit tertentu saja. Elektron, selama berada dalam keadaan bersesuaian
dengan energi diskrit ini, tidak memancarkan radiasi dan dikatakan bahwa elektron
tersebut berada dalam keadaan stasioner atau keadaan tidak memancar.
2. Dalam perpindahan dari suatu keadaan stasioner dengan energi W2 ke keadaan
stasioner yang lain dengan energi W1, radiasi akan dipancarkan. Frekuensi energi yang
dipancarkan ini diberikan diberikan oleh
dimana h= konstanta plank dalam joule per second,
nilai-nilai w diberikan dalam joule dan f dalam
Hertz (getaran per detik)
Lanjutan
3. Keadaan stasioner ditentukan oleh persaratan, bahwa momentum
sudut elektron dalam keadaan ini “dikuantisasikan”, yaitu momentum
sudut tersebut merupakan kelipatan dari h/2π.
dimana n suatu bilangan bulat r jarak dari inti (dalam meter) m massa
dalam kilogram
Gbr. 1.2
Lima tingkatan energi terendah dan tingkatan ionisasi dari hidrogen, garis
spektral dinyatakan dalam satuan angstrom
Lanjutan
• Istilah foton menunjukkan banyak energi yang dipancarkan, yang sama dengan
konstanta h kali frekuensi. Sifat gelombang elektromagnet yang terkuantisasi ini
mula-mula ditemukan oleh planck pada tahun 1901.
• Pemancaran cahaya oleh atom, merupakan suatu proses yang discontinyu artinya,
Atom hanya akan memancarkan cahaya bila ia memuat perpindahan dari satu
tingkat energi ke tingkat energi yang lain yang lebih rendah. Dalam transisi ini atom
memancarkan energi yang tertentu besarnya dengan suatu frekuensi tertentu, yaitu
satu foton cahaya energinya hf .
• Garis-garis spektra. Panah-panah dalam Gambar diatas menggambarkan 6 buah
transisi antara keadaan-keadaan stasioner. Bilangan-bilangan yang berkaitan
dengan panah-panah tersebut menunjukkan panjang gelombang pemancaran.
Misalnya, garis ultraviolet 1.216 Å dipancarkan apabila atom hidrogen turun dari
tingkatan tereksitasi yang pertama, n = 2, ke keadaan normal n = 1.
Lanjutan
• Suatu cara yang penting untuk mengeksitasikan atom ke suatu tingkatan tereksitasi,
adalah dengan memancarkan radiasi pada suatu gas. Cara ini disebut dengan
fotoeksitasi. Sebuah atom dapat menyerap foton yang frekuensinya f, dan oleh
karenanya pindah dari tingkatan energi W1 ke tingkat W2 yang lebih tinggi,
dimana W2 = W1 + hf. Suatu ciri yang sangat penting dari eksitasi dengan
penangkapan foton adalah, bahwa foton tersebut tidak akan diserap, kecuali
apabila energinya tepat sama dengan selisih energi dari 2 keadaan stasioner atom
yang menangkap foton tersebut. Misal atom hidrogen dalam keadaan normal, akan
dinaikkan ketingkat eksitasi pertama, dengan menggunakan pemancaran dengan
panjang gelombang 1.216 Å (yang merupakan spektrum di daerah ultraviolet).
Lanjutan
• Fotoionisasi. Apabila frekuensi gelombang yang menumbuk atom cukup besar, ada
kemungkinan ia memiliki cukup energi untuk mengionkan atom tersebut. Foton akan
menghilangkan bersamaan dengan munculnya elektron dengan ion positif. Berbeda
dengan yang terjadi pada fotoeksitasi, dalam ionisasi energi foton tidak usah tepat
sama dengan energi ionisasi dari atom yang bersangkutan. Ia memerlukan energi
sekurang-kurangnya sama dengan energi ionisasi. Apabila foton memiliki energi
lebih besar daripada energi ionisasi, kelebihan energi tersebut akan muncul
sebagai energi kinetik dari elektron yang dilepaskan dan dari ion positif.
STRUKTUR ELEKTRONIK DARI ELEMENT
Larangan Pauli. Susunan berkala dari unsur-unsur dapat dijelaskan dengan
hukum yang diketemukan Pauli tahun 1925. Hukum tersebut mengatakan:
“Tiada dua elektron dalam suatu sistem elektron dapat mempunyai kumpulan
bilangan kuantum n, l, m1 dan ms yang sama.”
Pernyataan, bahwa tiada dua elektron dapat satu keadaan kuantum yang
sama dikenal sebagai prinsip larangan pauli
Tabel :Konfigurasi Elektronik dalam golongan IV A
TEORI PITA ENERGI KRISTAL
Apabila jarak atom dalam kristal diperkecil (bergerak dari kanan ke kiri
dalam Gambar 1.3a) atom akan mengeluarkan gaya listrik pada
lingkungannya. Oleh karena interaksi ini, fungsi gelombang atom-atom akan
bertumpang tindih (overlap), dan kristal tersebut akan merupakan suatu sistem
elektronik yang harus tunduk pada prinsip larangan pauli. Oleh karena itu, 2N
keadaan s yang berimpit sekarang harus menyebar. Jarak antar tingkat energi
ini kecil, akan tetapi oleh karena N besar sekali (yaitu ~ 1023 cm-3), pelebaran
jarak antara energi maksimum dan minimum dapat beberapa eV bila jarak
antara atom cukup didekatkan. Tingkat energi yang sangat berdekatan, tapi
besar sekali cacahnya disebut pita energi dan secara skematik dalam Gambar
1-3a ditandai dengan menggelapkan bagian yang bersangkutan. 2N
keadaan dalam pita inisepenuhnya diisi 2N elektron. Dengan jalan yang sama,
bagian atas dari daerah yang dihitami dalam Gambar 1-3a, adalah suatu
pita dari 6N keadaan, hanya 2N di antara keadaan-keadaan itu terisi oleh
elektron.
Gbr. 1.3
Gambaran tingkat energi atom yang terisolasi dibagi
menjadi band energi untuk membentuk kristal
ISOLATOR, SEMIKONDUKTOR DAN LOGAM
• Isolator. Struktur pita energi dari Gambar 1-3b pada jarak atom dalam
kisi yang normal diperlihatkan secara skematik pada Gambar 1-4a.
Untuk kristal intan(karbon) daerah terlarang yang tidak mengandung
keadaan kuantum, tingginya beberapa eV. (EG ≈ 6eV). Pita terlarang
yang lebar ini memisahkan daerah valensi yang penuh dari pita konduksi
yang kosong. Energi yang dapat diberikan kepada elektron, oleh medan
listrik yang diterapkan, terlalu kecil untuk memindahkan elektron dari pita
yang penuh ke pita yang kosong. Oleh karena elektron tidak dapat
memperoleh energi yang mencukupi, maka penghantaran tidak mungkin
berlangsung, oleh karena itu intan merupakan suatu isolator.
Gbr. 1.4
Struktur Pita energi
(a) sebuah Isolator, (b) sebuah Semikonduktor, (c) sebuah logam
Lanjutan
• Semikonduktor. Suatu bahan dengan lebar pita terlarang yang relatif kecil (~ 1 eV)
disebut Semikonduktor. Bahan semikonduktor yang penting dan praktis adalah
germanium dan silikon yang nilai EG -nya berturut-turut 0,785 dan 1,21 eV pada
00 K. sehingga bahan-bahan ini bersifat isolator pada temperatur rendah. Apabila
temperatur dinaikkan, sebagian elektron valensi memperoleh panas termal yang
lebih besar dari EG , oleh karenanya elektron tersebut memasuki pita konduksi.
Sekarang elektron-elektron ini bebas, dalam arti elektron-elektron tersebut mudah
bergerak walaupun dipengaruhi oleh medan yang kecil. Isolator ini sekarang mulai
dapat menghantarkan arus, dan disebut semikonduktor. Ketidakhadiran elektron
dalam pita valensi digambarkan dengan lingkaran-lingakaran kecil dalam Gambar
1-4b dan disebut lubang.
Lanjutan
• Logam. Suatu zat padat yang mempunyai struktur pita yang hanya sebagian
terisi disebut logam. Bahan ini merupakan konduktor dan pita energi yang terisi
sebagian merupakan pita konduksi. Suatu contoh dari struktur pita sebuah logam
diberikan dalam Gambar 1-4c. dimana ditunjukkan pita valensi dan pita
konduksi bertumpang tindih.
GEJALA TRANSPORT DALAM SEMIKONDUKTOR
Arus dalam sebuah logam disebabkan oleh aliran muatan
negatif (elektron-elektron). Sedangkan dalam semikonduktor
sebagai hasil gerak keduanya elektron dan muatan positif
(lubang-lubang).
Sebuah semikonduktor dapat diisi dengan atom takmurnian
sehingga arus yang mengalir, terutama disebabkan oleh
elektron saja atau oleh lubang saja.
MOBILITAS DAN KONDUKTIVITAS
Akibat dari kekuatan medan elektrostatik ini elektron akan terusmenerus dipercepat
dan kecepatan elektron akan makin tinggi, seandainya tidak terjadi tumbukan dengan
ion. Akan tetapi dalam setiap tumbukan tidak elastik dengan ion, elektron akan
kehilangan energi dan suatu keadaan stasioner akan dicapai dimana kecepatan
hanyut v akan diperoleh. Kecepatan hanyut ini arahnya berlawanan dengan arah
medan listrik. Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a =
qε / m adalah percepatan. Oleh karena itu kecepatan v ini akan berbanding lurus
dengan ε. Jadi:
v = με
dimana μ (meter kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.
ELEKTRON DAN LUBANG DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK
• Lubang. Pada temperatur kamar, beberapa ikatan kovalen akan patah oleh
energi panas yang diberikan kepada kristal, dan konduksi dimungkinkan.
Keadaan ini dilukiskan pada dibawah. Disini dilukiskan sebuah elektron,
sedang diusir dan karenanya mengembara secara acak dalam kristal.
Energi EG yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen tersebut
adalah sekitar 0,72 eV untuk germanium dan 1,1 eV untuk silikon pada
temperatur kamar. Ketiadaan elektron dari ikatan kovalen dari Gambar
dibawah digambarkan dengan lingkaran kecil dan ikatan kovalen yang tak
lengkap sperti itu disebut lubang
Lanjutan
• Mekanisme lubang melakukan penghataran, secara kualitatif adalah sebagai
berikut: Apabila sebuah ikatan tidak lengkap, relatif lebih mudah bagi elektron
valensi dari sautu atom di tegangannya meninggalkan ikatan kovalennya dan
mengisi lubang ini. Suatu elektron yang meninggalkan suatu ikatan untuk mengisi
lubang yang lain akan membentuk akan membentuk lubang dalam ikatan yang
ditinggalkan.
• Dalam semikonduktor murni(intrinsik) banyaknya lubang sama dengan banyaknya
elektron bebas. Gerakan termal terus menerus menghasilkan pasangan elektron
lubang yang baru, sedangkan elektron lubang yang lain menghilang sebagai
akibat rekombinasi. Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi
rapat elektron n, sehingga
n = p = ni (2-10)
dimana ni disebut konsentrasi atau rapat intrinsik.
TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR
• Apabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom
yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk semikonduktor yang takmurni, yang
disebut ekstrinsik.
• Donor-Donor. Apabila atom takmurnian mempunyai lima elektron valensi, maka
struktur kristal akan diperoleh. Atom takmurnian akan menggeser beberapa atom
germanium dari kisi-kisi kristal. Takmurnian ini akan memberikan kelebihan elektron
sebagai pembawa muatan negatif, oleh karena dikenal sebagai takmurnian donor
atau tipe-n. Apabila takmurniak donor ditambahkan pada suatu semikonduktor,
tingkat energi yang diperkenankan akan berada sedikit dibawah pita konduksi
• Akseptor. Apabila takmurnian trivalen (valensi tiga) ditambahkan pada
semikonduktor intrinsik hannya tiga ikatan kovalen yang diisi, kekosongan yang
terjadi pada ikatan keempat akan membentuk lubang. Takmurnian ini karenanya
disebut akseptor, atau takmurnian tipe-p. Apabila takmurnian akseptor, atau tipe-p,
ditambahkan pada semikonduktor intrinsik, akan terbentuk tingkatan energi yang
diperbolehkan yang letaknya sedikit di atas pita valens
RAPAT-RAPAT MUATAN DALAM SEBUAH SEMIKONDUKTOR
• np = ni2 , memberikan hubungan antara rapat (konsentrasi) elektron n dan rapat
lubang p. Rapat-rapat ini selanjutnya memenuhi hukum netralitas.
• ND + p = NA + n (2-11)
, dimana ND adalah rapat atom donor, NA rapat atom akseptor.
• Pandang bahan tipe-n dengan NA = 0. oleh karena banyaknya elektron jauh
melebihi jumlah besar dari banyak lubang (n>>p) dalam semikonduktor tipe-n. maka
persamaan (2-11) menjadi
n ≈ ND (2-12)
dalam bahan tipe-n, konsentrasi elektron bebas kira-kira sama dengan rapat atom
donor.
• Dalam pemakaiannya di kemudian hari, kita mempelajari ciri-ciri bahan-bahan tipe-p
dan tipe-n, kemudian mengkaitkanya satu dengan yang lain. Oleh karena ada
kemungkinan terkecoh bahan mana yang sedang ditinjau pada suatu saat, maka kita
tambahkan indeks n atau p untuk bahan-bahan tipe n atau tipe-p. Jadi Persamaan
(2-12) dapat ditulis lebih jelas sebagai.
nn ≈ ND
TUGAS I :
Buatlah makalah/rangkuman materi menyangkut energi
atom dan semikonduktor minimal 3 halaman…….???
Dikumpul pada pertemuan selanjutnya…..
Anda bisa, jika Anda berpikir bisa,
selama akal mengatakan bisa.
Batasan apakah sesuatu masuk akal atau tidak,
kita lihat saja orang lain,
jika orang lain telah melakukannya
atau telah mencapai impiannya,
maka impian tersebut adalah masuk akal.
Kita tidak bisa mengajari orang apapun
Kita hanya bisa membantu mereka menemukannya di dalam diri mereka
(Galileo Galilei)