KONDUKTOR, ISOLATOR DAN SEMIKONDUKTOR

Transkripsi

1 KONDUKTOR, ISOLATOR DAN SEMIKONDUKTOR Bahan - bahan yang berhubungan dengan arus listrik dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu : 1. Bersifat Konduktor 2. Bersifat Insulator 3. Bersifat Semikonduktor Penjelasannya : 1. Bahan - bahan yang bersifat konduktor ialah bahan - bahan yang mudah mengalirkan arus listrik jika dihubungkan dengan sumber tegangan. Misalnya : tembaga, besi, emas, dll dari bahan - bahan yang paling bagus untuk mengalirkan arus listrik adalah EMAS. karena pada bahan konduktor mempunyai banyak sekali elektron bebas, yang paling banyak elektron bebasnya adalah emas. 2. Bahan - bahan yang bersifat Insulator merupakan material yang susah menghantarkan arus listrik. Misalnya : gelas, kaca, karet, kayu, dll kenapa tidak dapat menghantarkan arus listrik? karena dalam bahan yang bersifat isolator seluruh lintasan elektronnya memiliki ikatan yang kuat dengan intinya atau dengan kata lain pada bahan isolator tidak mempunyai elektron bebas sehingga walau diberi tegangan listrik tidak akan membuat elektron - elektronnya bergerak. 3. Bahan - bahan yang bersifat semikonduktor ialah bahan - bahan yang pada kondisi tertentu akan bersifat sebagai isolator dan pada kondisi lain akan bersifat sebagai konduktor / Semikonduktor adalah material yang memilki sifat antara konduktor dan insulator. Misalnya : germaniun, silicon, dll kapan bahan - bahan semikonduktor dapat bersifat isolator dan bersifat konduktor? Devais Mikroelektro 1

2 Bahan - bahan tersebut akan bersifat isolator jika dalam temperatur yang rendah. Bahan - bahan tersebut akan bersifat konduktor jika dalam temperatur tinggi. menggapa demikian? karena dalam temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi penuh oleh elektron, dan ketika dalam temperatur tinggi karena pada temperatur yang tinggi akan ada ikatan - ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron - elektron bebas. Conductor Band Insulator Semikonduktor Konduktor Forbidden Band Valence Band ELEKTRON Devais Mikroelektro 2

3 Berdasarkan analisis spektrum atom, Niels Bohr mengajukan model atom sebagai berikut : 1. Dalam elektron terdapat lintasan-lintasan tertentu tempat elektron dapat mengorbit inti tanpa disertai pemancaran atau menyerap energi. lintasan itu, yang juga disebut kulit atom, adalah orbit berbentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu. tiap lintasan ditandai dengan satu bilangan bulat yang disebut bilangan kuantum utama (n), mulai dari 1, 2, 3, 4, dan seterusnya, yang dinyatakan dengan lambang K, L, M, N, dan seterusnya. Lintasan pertama, dengan n = 1, dinamai kulit K, dan seterusnya. makin besar harga n (makin jauh dari inti), makin besar energi elektron yang mengorbit pada kulit itu. 2. Elektron hanya boleh berada pada lintasan-lintasan yang diperbolehkan (lintasan yang ada), dan tidak boleh berada di antara dua lintasan. lintasan yang akan ditempati oleh elektron bergantung pada energinya. pada keadaan normal (tanpa pengaruh luar), elektron menempati tingkat energi terendah. keadaan seperti itu disebut tingkat dasar (ground state). 3. elektron dapat berpindah dari satu kulit ke kulit lain disertai pemancaran atau penyerapan sejumlah tertentu energi. perpindahan elektron ke kulit lebih dalam akan disertai penyerapan energi. sebaliknya, perpindahan elektron ke kulit lebih dalam akan disertai pelepasan energi. Devais Mikroelektro 3

4 K L M N O P Gambar 13 Model Atom Niels Bohr Teori Bandix n = 1,2,3,4,5,...dst k,l,m,n,o,... l = 0,1,2,3,...n-1 Ml = 0 ± 1 ± 2 dst. Ms = ± ½ Jadi koordinat dari elektron tersebut adalah ( n,l,ml,ms ) Menurut teori PAULI tahun 1925 Tidak mungkin ada kwantum elektron yang sama Misal : Devais Mikroelektro 4

5 Untuk n = 1 Harga l = n -1 = 1-1 = 0 Ml = 0 Ms = ± ½ 2 elektron Untuk n = 2 Harga l=0 = n -1 = 1-1 = elektron Harga l=1 Ml = ±1 Ml = +1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = 0 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -1 - Ms = ± ½ - 2 elektron 8 elektron Untuk n = 3 Harga l=0 = n -1 = 1-1 = elektron Harga l=1 Ml = ±1 Ml = +1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = 0 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Harga l=2 M l= ±2 Ml = -2 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = 0 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = +1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = +2 - Ms = ± ½ - 2 elektron 18 elektron Untuk n = 4 Harga l = elektron Harga l = elektron Harga l = elektron Harga l = 3 Ml = ±1 Ml = +1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = 0 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -2 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = -1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = 0 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = +1 - Ms = ± ½ - 2 elektron Ml = +2 - Ms = ± ½ - 2 elektron 32 elektron Devais Mikroelektro 5

6 e Donor ( kelebihan 1 elektron ) Acceptor ( kekurangan 1 elektron ) Intrinsic : Bahan semikonduktor tersebut terbuat dari satu bahan saja Extrinsic : Bahan tersebut terbuat lebih dari satu macam atom. Elektron Arus # Tipe P yg mengalirkan arus adalah hole ( + ) # Tipe N yg mengalirkan arus adlah elektron ( - ) Devais Mikroelektro 6

7 1. Semikonduktor mempunyai dua macam carrier yaitu Hole (positip) dan elektron (negatif) 2. Semikonduktor dapat dihasilkan (dibuat) dengan pengotoran donor (acceptor) sehingga mengandung muatan-muatan yg banyak,dimana yg mayoritas adalah elektron (hole) 3. Konsentrasi Intrinsik dari carrier merupakan fungsi waktu.pada temperatur kamar semua donor atau acceptor ter-ionisasi. 4. Ada 2 gejala terjadinya arus : a. Arus Drift disebabkan oleh medan listrik b. Arus Diffusi karena adanya gradient konsentrasi. pergerakan partikel-partikel bermuatan didalam semikonduktor, apakah itu elektron ataupun hole, akan menghasilkan arus. Karena itu, partikel-partikel ini secara sederhana disebut juga sebagai pembawa (carrier). Pergerakan partikel ini sendiri dapat terjadi karena dua hal. Pertama adalah karena adanya medan listrik. Arus yang timbul akibat pergerakan ini disebut juga arus drift. Kedua adalah karena adanya perbedaan (gradien) konsentrasi pembawa (carrier), dan arus yang timbul oleh pergerakan ini disebut juga arus difusi. Perbedaan (gradien) konsentrasi ini dapat diakibatkan oleh penyebaran dadahan (doping) yang tidak homogen, atau dapat juga dihasilkan dengan menyuntikkan sejumlah elektron atau hole ke suatu daerah (region) tertentu pada semikonduktor. Dioda adalah komponen aktif bersaluran dua (dioda termionik mungkin memiliki saluran ketiga sebagai pemanas). Dioda mempunyai dua elektroda aktif dimana isyarat dapat mengalir, dan kebanyakan dioda digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah untuk memperbolehkan aliran arus listrik dalam suatu arah (disebut kondisi panjar maju) dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya (disebut kondisi panjar mundur). Saat ini dioda yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium. Devais Mikroelektro 7

8 Kurva Karakteristik Diode Berikut Beberapa Jenis-jenis Dioda : 1. Dioda biasa : Beroperasi seperti penjelasan di atas. Biasanya dibuat dari silikon terkotori atau yang lebih langka dari germanium. 2. Dioda cahaya : Dioda cahaya atau lebih dikenal dengan sebutan LED (light-emitting diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesensi. Warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat. 3. Dioda foto : Dioda foto adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Berbeda dengan dioda biasa, komponen elektronika ini akan mengubah cahaya menjadi arus listrik. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar- X. Aplikasi dioda foto mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa Devais Mikroelektro 8

9 peralatan di bidang medis. Alat yang mirip dengan Dioda foto adalah Transistor foto (Phototransistor). Transistor foto ini pada dasarnya adalah jenis transistor bipolar yang menggunakan kontak (junction) base-collector untuk menerima cahaya. 4. Dioda laser : Dioda laser adalah sejenis laser di mana media aktifnya sebuah semikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapat pada dioda pemancar cahaya. Dioda laser kadang juga disingkat LD atau ILD. Dioda laser baru ditemukan pada akhir abad ini oleh ilmuwan Universitas Harvard. Prinsip kerja dioda ini sama seperti dioda lainnya yaitu melalui sirkuit dari rangkaian elektronika, yang terdiri dari jenis p dan n. 5. Dioda Zener : Dioda zener atau yg jg disebut dioda avalanche atau dioda breakdown adalah bidang temu silicon. Dioda dirancang untuk dapat memerikan jebolan yaitu kenaikan arus yang besar yg terjadi secara tiba-tiba yg tidak merusak pd tegangan terbalik tertentu. Titik ini yg dinamakan tegangan zener. Dioda Zener dibuat sedemikian rupa sehingga arus dapat mengalir ke arah yang berlawanan jika tegangan yang diberikan melampaui batas tegangan rusak (breakdown voltage) atau tegangan Zener. Sebuah dioda Zener memiliki sifat yang hampir sama dengan dioda biasa, kecuali bahwa alat ini sengaja dibuat dengan tengangan rusak yang jauh dikurangi, disebut tegangan Zener. Sebuah dioda Zener memiliki p-n junction yang memiliki doping berat, yang memungkinkan elektron untuk tembus (tunnel) dari pita valensi material tipe-p ke dalam pita konduksi material tipe-n. Sebuah dioda zener yang dicatu-balik akan menunjukan perilaku rusak yang terkontrol dan akan melewatkan arus listrik untuk menjaga tegangan jatuh supaya tetap pada tegangan zener. Sebagai contoh, sebuah diode zener 3.2 Volt akan menunjukan tegangan jatuh pada 3.2 Volt jika diberi catu-balik. Namun, karena arusnya tidak terbatasi, sehingga dioda zener biasanya digunakan untuk membangkitkan tegangan referensi, atau untuk menstabilisasi tegangan untuk aplikasi-aplikasi arus kecil. Devais Mikroelektro 9

10 6. Dioda Schottky (SCR) : SCR singkatan dari Silicon Control Rectifier. Adalah Dioda yang mempunyai fungsi sebagai pengendali. SCR atau Tyristor masih termasuk keluarga semikonduktor dengan karateristik yang serupa dengan tabung thiratron. Sebagai pengendalinya adalah gate (G). SCR sering disebut Therystor. SCR sebetulnya dari bahan campuran P dan N. Isi SCR terdiri dari PNPN (Positif Negatif Positif Negatif) dan biasanya disebut PNPN Trioda. P-N Junction / Junction Dioda ( Dioda ) Junction (persambungan) adalah daerah tempat tipe-p dan tipe-n disambung. Dioda junction adalah nama lain untuk kristal P-N. Pada gambar 1 di bawah ini ditunjukkan simbol dioda dan dioda junction tanpa bias tegangan. Sisi P mempunyai banyak hole dan sisi N banyak elektron pita konduksi. Devais Mikroelektro 10

11 Gambar 1. Simbol Dioda dan Junction Dioda Lapisan pengosongan Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan kosong (depletion layer). Di daerah tersebut terdapat keseimbangan antara hole dan elektron.pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron, sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas. Elektron pada sisi N cenderung berdifusi ke segala arah, beberapa elektron berdifusi melewati junction. Setiap kali elektron berdifusi melalui juction akan menciptakan sepasang ion.tanda positif berwarna merah menandakan ion positif dan tanda negatif berwarna merah menandakan ion negatif. Tiap pasang ion positif dan ion negatif pada gambar 2 disebut dipole. Penciptaan dipole berarti satu elektron pita konduksi dan satu hole telah dikeluarkan dari sirkulasi. Jika terbentuk sejumlah dipole, daerah dekat junction dikosongkan dari muatan-muatan, daerah kosong ini disebut dengan daerah /lapisan pengosongan yang lebarnya 0,5 µm. Devais Mikroelektro 11

12 Gambar 2. Dipole pada P-N Junction Gbr 3. Bias Foward pada Dioda Gbr 4. Bias reverse pada Dioda Tegangan barrier ( rintangan ) Pembangkitan tegangan barrier bergantung pada suhu junction, suhu yang lebih tinggi menciptakan banyak pasangan elektron dan hole, sehingga aliran pembawa minoritas melewati juction bertambah. Pada suhu 25 C Potensial Devais Mikroelektro 12

13 Barier pada dioda germanium (Ge)= 0,3 V dan dioda silikon (Si ) = 0,7 V.Potensial barrier tersebut berkurang 2,5 mv untuk setiap kenaikan 1 derajat Celcius. Devais Mikroelektro 13

14 Variable Condensator Kondensator variabel dan trimmer adalah jenis kondensator yang kapasitasnya bisa diubah-ubah. Kondensator ini dapat berubah kapasitasnya karena secara fisik mempunyai poros yang dapat diputar dengan menggunakan obeng. Kondensator variabel Kondensator variabel terbuat dari logam, mempunyai kapasitas maksimum sekitar 100 pf (pikofarad) sampai 500 pf (100pF = µF). Kondensator variabel dengan spul antena dan spul osilator berfungsi sebagai pemilih gelombang frekuensi tertentu yang akan ditangkap. Lambang gambar untuk Kondensator Variable pada skema elektronika Rr Rs = Tahanan dari bodynya Rr = reverse tahanan Varactor ini berlaku jika diberi tahanan reverse. Rs Kondensator trimer Sedangkan kondensator trimer dipasang paralel dengan variabel kondensator berfungsi untuk menepatkan pemilihan gelombang frekuensi tersebut. Kondensator trimer mempunyai kapasitas dibawah 100 pf (pikofarad). Lambang gambar untuk Kondensator Trimer pada skema elektronika: Devais Mikroelektro 14

15 Kerusakan umumnya terjadi jika: 1. Korsleting 2. Setengah korsleting (penangkapan gelombang pemancar menjadi tidak normal) Konstruksi Transistor adalah piranti semikonduktor tiga terminal yang TRANSISTOR dibangun dari : Bipolar : Junction Transistor 1. dua material tipe p dan satu material tipe n, atau 2. dua material tipe n dan satu material tipe p. Heavily doped E p n p C E n p n C BJT B B Doping pada bagian tengah diberikan lebih sedikit dibandingkan dengan bagian luar (sekitar 10:1). Doping rendah ini mengurangi konduktiviti material dengan membatasi jumlah elektron bebas. Istilah bipolar berasal dari kenyataan bahwa elektron dan holes berpartisipasi dalam proses pembangkitan arus. Devais Mikroelektro 15

16 BJT : Operasi Transistor o o Transistor beroperasi dengan memberikan bias pada kedua junction. Bias maju pada junction BE menyebabkan sejumlah besar majority carrier (holes) yang terhubung ke terminal emitter terdifusi melewati junction menuju materi tipe n (basis). Karena ketersediaan elektron bebas pada materi tipe n lebih sedikit dari hole yang terdifusi, hanya sedikit holes yang ber-kombinasi dengan elektron dan menghasilkan arus pada terminal basis. Sebagian besar hole akan begerak melewati depletion region pada junction base-collector (junction base-collector di-bias mundur) dan keluar pada terminal collector. BJT Total arus dari terminal emitter sama dengan arus pada terminal collector ditambah arus pada terminal basis. IE = IC + IB Arus collector IC terdiri dari dua komponen, yang berasal dari majority carrier dan minority carrier. Arus dari minority carrier disebut dengan ICO (arus collector dengan terminal emitter open). IC =ICmajority +ICO ICO bernilai sangat kecil dan umumnya bisa diabaikan Tegangan base-emitter (V BE) bisa dianggap sebagai variabel pengontrol dalam menentukan operasi transistor. Arus collector dikaitkan dengan tegangan V BE (Ebers-Moll / Shockley equation): Devais Mikroelektro 16

17 Arus collector IC proporsional terhadap arus IB dengan hubungan: I C = β I B I C = α I E Data spesifikasi transistor (dari pabrik) di-set nilai maksimum yang tidak boleh dilampaui dalam operasi. Spesifikasi ini memberi batasan operasi transistor dalam rangkaian. Contoh spesifikasi transistor silikon 2N2222 Collector-Base Voltage = 60 v Collector-Emitter Voltage = 30 v Base-Emitter Voltage = 5 v Power dissipation = 500 mw Temperature 125 C o o Transistor beroperasi dengan memberikan bias pada kedua junction. Bias maju pada junction BE menyebabkan sejumlah besar majority carrier (holes) yang terhubung ke terminal emitter terdifusi melewati junction menuju materi tipe n (basis). Karena ketersediaan elektron bebas pada materi tipe n lebih sedikit dari hole yang terdifusi, hanya sedikit holes yang ber-kombinasi dengan elektron dan menghasilkan arus pada terminal basis. Devais Mikroelektro 17 Sebagian besar hole akan begerak melewati depletion region pada junction basecollector (junction base-collector di-bias mundur) dan keluar pada terminal collector.

18 Devais Mikroelektro 18

19 Devais Mikroelektro 19