Bahan konduktor, isolator, dan semikonduktor

Matakuliah
Tahun
Versi
: <<D0044>>/<<PENGETAHUAN KIMIA
BAHAN>>
: <<2006>>
: <<BARU>>
Pertemuan <<15>>
<<SEMI KONDUKTOR>>
1
Learning Outcomes
Pada akhir pertemuan ini, diharapkan mahasiswa
akan mampu :
• << TIK-19>>
• <<TIK-20>>
2
Outline Materi
• Materi 1 : BAHAN SEMI KONDUKTOR
3
Konduktivitas
Setiap bahan memiliki konduktivitas dengan nilai
yang berbeda;
Besar
kecilnya
konduktivitas
suatu
bahan
ditentukan oleh jumlah muatan bebas yang
dimiliki oleh bahan tersebut;
Berdasarkan
konduktivitas,
bahan
dapat
digolongkan menjadi :
 Konduktor, memiliki konduktivitas di atas 104 -1m-1
;
 Semikonduktor, memiliki konduktivitas antara 104
s/d 10-4 -1m-1;
 Isolator, memiliki konduktivitas di bawah 10-4 -1m1.
4
Bahan konduktor, isolator, dan semikonduktor
Logam memiliki ikatan elektron valensi yang sangat
lemah sehingga mudah bergerak melalui seluruh
stukturnya bila dikenai gaya oleh suatu medan magnit;
Jadi logam digolongkan sebagai konduktor, karena
memiliki muatan bebas (elektron yang terdelokalisir)
dalam jumlah yang sangat banyak;
Sebaliknya keramik dan bahan polimer memiliki ikatan
elektron yang sangat kuat dan ion-ionnya tidak mudah
mengalami difusi, sehingga digolongkan sebagai
isolator;
Bahan
semikonduktor
seperti
silikon
(Si)
dan
germanium
(Ge)
memiliki
karakterisrik
diantara
konduktor dan isolator;
Besar kecilnya konduktivitas suatu bahan ditentukan
oleh jumlah muatan bebas yang dimiliki oleh bahan
5
tersebut.
Bila suatu tegangan dikenakan pada suatu bahan
semikonduktor, maka electron (e-) pada pita konduksi
bergerak ke elektrode positif, sedang lubang (h+) pada
pita
valensi
bergerak
ke
elektrode
negatif.
Dengan demikian arus yang dihasilkan merupakan
gabungan dari gerakan elektron dan gerakan lubang;
pita konduksi
e-
e-
eenergi
elektron
Eg
h+
h+
h+
pita valensi
6
Konduktivitas yang dihasilkan oleh sejumlah
pasangan electron dan lubang adalah :
 = ne q e + nh q h
dimana : ne & nh = jumlah elektron dan jumlah lubang (m-3)
q = muatan (coulomb)

e
&
h
= mobilitas elektron dan lubang (m2 v-1 s-1)
Dalam semikonduktor intrinsik :
n = ne = nh
Sehingga :
 = n q (e + h)
7
Mobilitas
elektron
dalam
suatu
semi
konduktor lebih besar dari pada mobolitas
lubang elektron dalam semi-konduktor yang
sama (e > h).
Contoh sela energi elemen semikonduktor :
8
Sela energi intan/karbon (C) terlalu besar untuk
dapat menghasilkan pembawa muatan, sehingga
intan
termasuk
kelompok
isolator;
Silikon, germanium, dan timah putih memiliki
struktur yang sama dan mempunyai pita yang
tersisi;
Karena timah putih memiliki elektron yang
terbanyak dalam pita konduksi, oleh karena itu
memiliki konduk-tivitas yang tertinggi.
Sumber energi yang dapat meningkatkan
konduktivitas suatu semikonduktor intrinsik :
energi panas,
energi cahaya (foton), dan
energi elektron berkecepatan tinggi.
9
Energi panas :
Logam akan mengalami kenaikan tahanan dan penurunan
konduktivitas bila suhu meningkat, tetapi sebaliknya
konduktivitas semikonduktor intrinsik meningkat dengan
naiknya suhu.
Konduktivitas :
 = o e-Eg/2kT
dimana : o = konstanta pembanding yang mencakup
faktor-faktor q dan ;
k = konstanta Boltzman (86,1x10-6 eV/OK);
T = temperatur absolut (OK).
Persamaan konduktivitas dapat pula dituliskan :
ln = lno - Eg/2kT
Jadi dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa 
meningkat bila T meningkat.
10
Energi cahaya (foton) ; berupa sinar infra
merah.
Suatu foton dapat memacu elektron agar
melompati sela energi, sehingga dihasilkan sepasang elektron konduksi dan
lubang valensi sebagai pembawa muatan;
Bila energi berkurang, pasangan elektronlubang akan bergabung kembali;
Pada saat elektron turun melalui sela,
energi dibebaskan dalam bentuk energi
cahaya (foton).
11
Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor
ekstrinsik
menambahkan
sejumlah
impuritas (disebut doping);
dibuat
dengan
kecil
atom-atom
Konduktifitas
semikonduktor
tergantung pada jumlah impuritas.
ekstrinsik
Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik :
12
Semikonduktor jenis-N ; sebagai contoh akan ditambahkan atom fosfor, yang memiliki 5 elektron valensi, ke
dalam silikon yang memiliki 4 elektron valensi.
Elektron atom fosfor yang ke lima dapat lepas dari atom
induk dengan energi tambahan sedikit saja, dan
diberikan pada pita konduksi sebagai pembawa muatan;
Level energi Ed, sedikit di bawah puncak sela energi.
13
Semikonduktor jenis-P ; sebagai contoh akan ditam-
bahkan atom aluminium, yang memiliki 3 elektron valensi,
ke dalam silikon yang memiliki 4 elektron valensi.
Atom aluminium dapat menerima sebuah elektron dari
pita valensi, sehingga meninggalkan sebuah lubang
elektron
sebagai
pembawa
muatan;
Level energi akseptor Ea, sedikit di atas bagian bawah
sela energi.
14
Peralatan Elektronika yang Menggunakan
Semikonduktor :
Alat junction (dioda) ; yaitu peralatan yang
menggunakan sambungan antara semikonduktor jenis N
dan jenis P.
Diode pemancar cahaya (lightemitting diode/
LED),banyak digunakan pada display digital
seperti kalkulator
Penyearah arus, yaitu untuk merubah arus bolakbalik menjadi arus searah (direct current).
Transistor ; digunakan untuk memperkuat sinyal yang
lemah menjadi besaran yang lebih kuat dan dapat
dimanfaatkan.
Transistor efek medan (field-effect transistor/FET);
Transistor junction jenis PNP dan NPN.
15