Konduktor

PERTEMUAN KE IV
Dasar Teknik Elektro
STTNAS - 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 berturutturut 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 tingkattingkat 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.
a.
b.
Gambar a. Tingkat-tingkat energi pada atom tunggal , b. Tingkat – tingkat energi pada kristal
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 elektronelektron 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 diubahubah 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 elektronelektron 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
DISTRIBUSI ENERGI ZAT PADAT
kosong
Pita konduksi
Kosong
Celah
terlarang
besar
Kosong
Celah
terlarang
kecil
Pita valensi
Konduktor
Isolator
Semikonduktor