elektrik,dielektrik dan emikonduktor
Post on 06-Mar-2016
64 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
BAB I
A. BAHAN ELEKTRIK
Bahan elektrik adalah suatu material yang dapat dialiri ataupun
mengalirkan arus listrik. Bahan elektrik sangat penting peranannya dalam
dunia elektronika. Semua komponen elektronika tidak pernah lepas dari
penggunaan bahan elektrik. Bahan elektrik memiliki beberapa sifat yang bisa
disesuaikan dengan fungsi dan kegunaannya.
Suatu bahan bisa berubah sifat tergantung jenis dari bahan tersebut. Sifat-
sifat yang dimiliki bahan elektrik :
a. Sifat Mekanis
yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya gaya-
gaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu
tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa
benda tersebut dibuat. Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada
tiga kemungkinan yang akan terjadi pada suatu benda :
Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda
mempunyai sifat kenyal (elastis)
Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini
hanya sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar
gaya yang bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat
kekenyalan menjadi berkurang.
Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar
gaya yang bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat
kekenyalan sama sekali hilang.
b. Sifat Fisis
Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana
pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan
bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya
benda akan menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap,
-
maka kepadatan benda akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan
sebagai berikut:
Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan
berkurang
Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah
Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan
panas
c. Sifat Kimia
Berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat
dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri
dengan sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya
reaksi kimia dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi.
Sedangkan reaksi kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.
Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu
juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan
berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik, bahan elektrik juga dapat
dikelompokkan sebagai berikut:
1. Bahan Penghantar (konduktor)
2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)
3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor)
4. Bahan Magnetis.
5. Bahan Super Konduktor.
6. Bahan Nuklir.
7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk
sekering, dan sebagainya).
8. Bahan Dielektrik
a. Bahan 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 atau penghantar adalah zat atau bahan yang bersifat
dapat menghantarkan energi , baik energi listrik maupun energi kalor, baik
berupa zat padat, cair atau gas. Bahan-bahan yang bersifat konduktor ini
biasanya digunakan untuk membuat alat-alat yang sifatnya membutuhkan
kecepatan transfer energi. Konduktor adalah bahan yang didalamnya
banyak terdapat elektron bebas mudah untuk bergerak . Tarikan antara
elektron yang berada dalam edaran paling luar dan intinya sangat kecil,
hingga dalam suhu normal pun ada satu atau lebih elektron yang terlepas
dari atomnya. Elektron bebas ini bergerak secara acak dalam ruang di
celah atom atom. Gerakan elektron elektron ini dinamakan bauran
(difusi). 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 aluminium
paling banyak digunakan.
Untuk menjelaskan konduktivitas bahan sering kali menggunakan
konsep pita energi. Ada dua pita energi, yaitu pita valensi dan pita
konduksi. Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh elektron
dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N elektron dengan N
adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisi
pita konduksi. Pada suhu 0 derajat K, pita konduksi terisi sebagian untuk
bahan konduktor, sedangkan untuk isolator dan semikonduktor tidak ada
elektron yang mengisi pita konduksi. Perbedaannya terletak pada energi
gap Eg yaitu selang energi antara pita konduksi minimum dan pita valensi
maksimum. Pada bahan semikonduktor Eg~ 1 eV, sedang pada isolator
-
Eg~ 6 eV. Secara diagramatik pita energi dari isolator, semikonduktor dan
konduktor ditunjukkan pada gambar berikut.
Ket : P.V (Pita Valensi) = pita energi yang terisi oleh elektron valensi
P.K (Pita Konduksi) = Pita yang diatas pita valensi yang akan terisi
oleh elektron konduksi
E.g (Celah Energi) = Energi yang diperukan elektron untuk loncat
ke pita
Gambar (a) : Struktur pita energi isolator, pita larangan yang besar ini
memisahkan pita valensi yang terisi dengan pita konduksi yang kosong.
Gambar (b) : Struktur pita energi , pita konduksi terisi sebagian, jika ada
medan listrik luar elektron akan memperoleh tambahan energi sehingga
berpindah yang berakibat timbul arus listrik.
Gambar (c) : Struktur pita energi semikonduktor, Lebar pita relatif kecil,
Eg 1 eV. Pada saat suhu naik, elektron pada pita valensi mampu
berpindah ke pita konduksi. Karena adanya elektron di pita akibatnya
bahan itu menjadi sedikit konduktif, karena itu disebut semikonduktor.
1.1 Sifat Bahan Konduktor
Sifat yang dimiliki konduktor ialah :
a. Daya Hantar Listrik
Daya Hantar Listrik, adalah kemampuan dari konduktor tersebut
dalam menghantarkan arus listrik yang melewatinya. Arus yang
mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari
-
penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari
bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1
mm2 pada temperatur 2000C dinamakan hambatan jenis. Besarnya
hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan:
= l
dimana :
R : Hambatan dalam penghantar
: hambatan jenis bahan
l : panjang penghantar
A : luas penampang kawat penghantar.
b. Koefisien Suhu Tahanan
Koefisien Suhu Tahanan, adalah kestabilan dari konduktor dalam
keadaan suhu yang berubah. perubahan suhu akan megakibatkan
perubahan volume, dan otomatis akan mempengaruhi hambat jenis
konduktor tersebut.
c. Daya Hantar panas
Daya Hantar panas, menunjukkan jumlah panas yang melalui
lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan
Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesinlistrik
beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya
hantar panas yang tinggi.
d. Kekuatan Tegangan Tarik
Kekuatan Tegangan Tarik, merupakan batas kemampuan dari suatu
konduktor pada saat konduktor tersebut ditarik (energy potensial
pegas).Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran
diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan
tersebut harus diketahui kekuatannya. Terutama menyangkut
penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi.
-
1.2 Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:
a. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
b. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau
aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam
jenis lain, yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya.
c. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang
dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau
pengelasan (welding).
b. Bahan Isolator
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.1
Bahan-bahan yang bersifat isolator ialah bahan-bahan yang akan
menghambat arus listrik bila dihubungkan dengan sumber tegangan.
Bahan-bahan ini biasanya tidak dapat menghantarkan listrik. Beberapa
bahan seperti kaca, kertas, kayu, atau teflon merupakan bahan isolator
yang sangat bagus.2
c. Semikonduktor
Bahan semi konduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya
antara konduktor dan isolator. Atom-atom bahan semi konduktor
membentuk krristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan
kovalen.
1https://id.wikipedia.org/wiki/Isolator_listrik 2http://www.slideshare.net/Renha2jk/tugas-makalah-isolator
-
Semikonduktor mengandung beberapa elektron bebas, akan tetapi
yang membuat semikonduktor bermanfaat adalah kehadiran dari lubang-
lubang di dalamnya. Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-
contoh dari semikonduktor, yaitu bahan-bahan yang tidak merupakan
konduktor maupun isolator. Gambar 1-3a memperlihatkan sebuah atom
Germanium. Di pusatnya terdapat sebuah inti dengan 32 proton. Elektron-
elektron yang mengelilinginya tersebar dalam berbagai lintasan mengikuti
pola:
2,8,18,...,2n2
di mana n adalah nomor lintasan. Bilangan-bilangan tersebut
merupakan jumlah elektron paling banyak yang dpaat berada dalam orbit
ke-n. Dengan kata-kata lain, dalam lintasan yang pertama, maksimal
terdapat 2 elektron, dalam yang kedua 8 elektron, dalam yang ketiga 18
elektron dan seterusnya. Dalam Ge, empat elektron yang terakhir berada
dalam lintasan yang paling luar, atau lintasan valensi.
Dengan jalan yang sama, dalam sebuah atom silikon yang terasing
terdapat 14 proton dalam intinya dan 14 elektron dalam orbit-orbitnya
seperti diperlihatkan dalam Gambar 1-3b, lintasan yang pertama
mengandung 2 elektron dan lintasan yang kedua mengandung 8 elektron.
Empat elektron sisanya berada di lintasan yang paling luar.
Seperti di atas, inti dan elektron-elektron dalam tidak penting untuk
dibahas. Oleh karena itu kita memilih diagram-diagram yang
dipersederhana dalam gambar-gambar 1-3c dan d untuk menggambarkan
-
atom-atom germanium dan silikon. Perhatikan bahwa keduanya
mempunyai 4 elektron valensi. Dengan melihat pada elektron-elektron
valensinya kita dapat membedakan sebuah semikonduktor dari konduktor.
Apabila elektron valensinya delapan, bahan tersebut bersifat
isolator. Oleh karena itu banyaknya elektron dalam lintasan valensi
merupakan petunjuk untuk konduktivitas listrik. Konduktor-konduktor
mempunyai satu elektron valensi, semikonduktor mempunyai empat
elektron valensi dan isolator mempunyai delapan elektron valensi.
Walaupun germaium masih digunakan untuk memproduksikan
alat-alat semikonduktor, silikon paling banyak digunakan dalam industri. 3
a. Kristal-Kristal
Sampat kini kita telah membahas atom-atom terasing. Misalnya
kita mengetahui sebah atom silikon mempunyai dua elektron dalam
lintasan yang ertama, delapan dalam lintasan kedua dan emapat dalam
lintasan ketiga. Ini benar untuk satu atom silikon yang terasing.
Apabila lebih sari satu atom yang terlibat terjadi hal yang baru
Apabila atom-atom isilikon bergabung membentuk zat padat,
dengan senidirinya atom-atom itu membentk suatu pola yang teratur
yang disebut kristal. Masing-masing atom silikon bergabung demikian
sehingga lintasan valensinya mempunyai delapan elektron. Apabila
sebuah atom mempunyai delapan elektron dalam lintasan valensinya,
atom tersebut secara kimiawi menjadi stabil. (tak ada penjelasan yang
sederhana, mengapa angka delapan ini begitu istimewa, selain
mengatakan bahwa itu merupakan hukum alam. Fisika kuantum
mencoba menggambarkan gejala ini dengan persamaan-persamaan
matematik, akan tetapi akhirnya hal itu merupakan fisika
eksperimental serpa dengan hukum gravitasi).
Bagaimanakah sebuah atom silikon memeroleh delapan elektron
dalam lintasan valensinya? Dengan menempatkan satu atom silikon di
3Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkain
Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Erlangga: Jakarta. Hal : 1-4
-
antara empat atom Si lainnya seperti diperlihatkan dalam Gambar 1-
6a. Masing-masing atom yang betetangga bersama-sama memiliki
sebuah elektron dengan atom yang di tengah. Dengan demikian atom
yang di tengan memperoleh tambahan empat elektron, sehingga di
lintasan valensinya seluruhnya terdapa 8 elektron. Sebenarnya
elektron-elektron tersebut tidak lagi menjadi milik satu atom,
elektron-elektron tersebut merupakan milik bersama dari atom-atom
yang sebelah-menyebelah.
b. Pita Energi
Apabila atom-atom silikon bergabung membentuk padatan,
lintasan sebuah elektron dipengaruhi oleh atom-atom yang berAda di
dekatnya dan bergantung pada atom yang semula. Tentu saja muatan
yang paling dekat mempunyai pengaruh yang paling besar, akan tetapi
muatan yang jauh pun akan sedikit berpengaruh pada lintasan sebuah
elektron. Dengan lain perkataan, tingkat energi dari masing-masing
elektron dalam batas-batas tertentu ditentukan oleh setiap muatan
dalam kristal. Oleh karena masing-masing elektron mempunyai
tempat (posisi) yang berbeda dalam kristal, tiada dua elektron yang
mempunyai muatan lingkungan yang sama. Hal ini sama saja dengan
menyatakan, bahwa dalam kristal tak ada dua elektron yang
mempunyai tingkatan energi yang sama. (dalam fisika Kuantum, ini
dikenal sebagai prinsip Larangan Pauli).
-
Gambar 1-8a menunjukkan cara menggambarkan tingkatan-
tingkatan energi silikon pada temperatur nol mutlak. Semua elektron
yang bergerak dalam lintasan yang pertama mempunyai tingkatan-
tingkatan energi yang sedikit berbeda, karena tidak ada dua elektron
pun yang mempunyai muatan lengkungan elektron yang tepat sama.
Oleh karena dalam lintasan pertama terdapat bermilyar-milyar
elektron, tingkatan-tingkatan energi yang sedikit berbeda membentuk
suatu gugusan atau pita. Demikian pula halnya dengan elektron yang
bermilyar-milyar yang berada di lintasan yang kedua membentuk pita
energi yang kedua, yang diperlihatkan dalam gambar. Selanjutnya
semua elektron dari lintasan yang ketiga membentuk pita valensi.
Perhatikan pita tingkatan energi yang baru dinamakan pita konduksi.
Pita ini merupakan gugusan dari lintasan-lintasan yang diperkenankan
yang berada di atas pita valesnsi. Pita ini adalah pita dari elektron-
elektron bebas.
Tiga pita energi yang pertama digambar itam, sebagai suatu cara
untuk menandai pita yang penuh atau jenuh, yaitu semua pita-pita
yang diperkenankan diisi sudah terisi. Apabila sebagian dari sebuah
pita tidak dihitamkan itu berarti beberapa lintasan masih kosong,
setara dengan tingkat-tingkat energi yang kosong. Oleh karena itu pita
konduksi tidak dihitamkan. Pada temperatur nol mutlak, dalam kristal
silikkon tak ada elektron bebas. Ruang yang kosong antara pita-pita
energi disebut celah-celah terlarang (forbidden gaps) karena ruang
-
tersebut melukiskan lintasan-lintasan atau tingkatan-tingkatan energi.
Apabila temperatur ambien lebih besar dari nol mutlak, energi
termal yang masuk mematahkan beberapa ikatan kovalen, seperti
dibahas di atas. Elektrin-elektron valensi ini masuk ke dalam pita
konduksi (lihat Gambar 1-8b). Dengan jalan ini pita konduksi diisi
elektron yang terbatas jumlahnya. Elektron-elektron ini bergerak
dalam lintasan yang besar, sehingga elektron-elektron tersebut terikat
lemah oleh atom-atom silikon. Ini berarti bahwa elektron-elektron
tersebut dapat dengan mudah pindah dari satu atom ke atom yang
berikutnya. Dalam Gambar 1-8b, setiap saat sebuah elektron masuk ke
dalam pita konduksi, sebuah lubang terbentk dalam pita valensi. Oleh
karena itu pita valensi tidak lagi penuh atau jenuh, sebuah lubang
menggambarkan adanya lintasan yang dapat diisi. Makin tinggi
temperatur ambien, makin banyak elektron yang dimasukkan ke
dalam pita konduksi.
Semikonduktor di bagi menjadi dua yaitu :
1. Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor yang
tidak ataupun belum terkotori oleh atom-atom asing. Pada kristal
semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan
dengan 4 atom Si lainnya, perhatikan gambar 1.
-
Dalam pasal ini kita akan menelaah bagaimana sebuah kristal
silikon intrinsik menghantarkan arus.
Gambar 1-9a memperlihatkan sebuah kristal silikon intrinsik
yang permukaan ujung-ujungnya dilapisi logam. Sumber tegangan luar
menghasilkan medan listrik di antara kedua ujung kristal tersebut.
Adakah arus mengalir? Hal ini bergantung pada temperatur. Apabila
temperatur ambiennya nol mutlak, masing-masing atom silikon
dikelilingi oleh delapan elektron dalam lintasan valensinya. Oleh karena
ikatan kovalen, elektron-elektron valensi ini terikat erat dan tidak dapat
meninggalkan atom. Oleh karena itu, walaupun ada tegangan yang
dipasang, kristal silikon akan berperilaku sebagai sebuah silikon, oleh
karena tidak ada elektron bebas yang dapat menghasilkan arus.
Apabila temperatur naik di atas nol mutlak, atom-atom mulai
bergetar, demikian sehingga elektron valensi dapat memperoleh energi
cukup untuk melepaskan diri dari ikatan dan masuk ke dalam pita
konduksi. Oleh karena adanya elektron bebas, akan timbul arus yang
kecil. Makin tinggi temperatur tersebut, makin besar arusnya. Pada
temperatur kamar arus tersebut sangat kecil dibandingkan dengan arus
melalui konduktor. Oleh karena itu kristal silikon disebut
semikonduktor.4
Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0 derajat K bersifat
sebagai isolator, dan pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor
4 ibid. Hal: 6-12
-
karena adanya pembentukan pasangan-pasangan eletron bebas hole
yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan. 5
Jika Pada 0 derajat K pita valensi penuh, pita konduksi kosong
sehingga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal
pada suhu kamar ada lektron pada pita valensi yang energinya melebihi
energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi
menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita
valensi. Kekosongan ini disebut hole (lubang) dan dianggap bermuatan
positif sebesar muatan elektron. Dengan demikian dasar pita konduksi
dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang,
kedua pita terisi sebagian, dan dapat menimbulkan arus netto bila
dikenakan medan listrik.6
Gambar 1-9b menunjukkan bagian dari kristal silikon dari
Gambar 1-9a. Misalkan energi termal menghasilkan sebuah elektron
bebas dan sebuah lubang. Elektron bebas berada dalam lintasan yang
besar sekali. Oleh karena sumber tegangan luar, elektron bebas
5http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bahan%20Semikon
duktor.pdf 6http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.pdf
-
mempunyai kecenderungan untuk pindah ke kanan. Gerakan tersebut
terjadi dengan perindahan elektron dari satu lintasan besar ke lintasan
besar yang ada di dekatnya. Dengan demikian elektron bebas berperan
serta dalam seluruh pengaliran elektron di dalam kristal silikon. Oleh
karena itu kita dapat membayangkan terjadinya tunak dari elektron-
elektron dari kutub negatif ke kutub positif dari sumber tegangan dalam
Gambar 1-9a.
Sebuah konduktor hanya memiliki elekron bebas dan tidak
mempunyai lubang sama sekali. Oleh karena itu muatan-muatan yan
mengalir dalam konduktor hanyalah elektron-elektron bebas.
Semikonduktor memiliki elektron-elektron dan lubang-lubang. Apabila
tegangan luar dipasang kedua-duanya dapat dan akan mengalir. Hal ini
menyebabkan semikonduktor berbeda denga konduktor.7
Sebagai contoh; Si mempunyai celah energi 1eV ini adalah
perkiraan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak
10A (10-10 m). Maka dari itu, diperlukan medan 1 V /10-10 m untuk
memggeraknan elektron diatas bagian pita valensi ke bagian bawah
pita konduksi. Namun gradien sebesar itu kurang praktis.
Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua
pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga
beberapa elektron yang melintasai celah energi dan hal ini
menyebabkan terjadinya semi konduksi. Pada semi konduktor intrinsik,
konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan
adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah
semi konduktor instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari
bagian teratas bagian pita valensi ke bagian pita thermal adalah
penyebab konduksi.8
2. Semikonduktor Ekstrinsik 7 Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkain Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Erlangga: Jakarta. Hal : 12 8 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang
-
Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom
dari jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik.Proses
penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebut
pengotoran (doping). Dengan menambahkan atom pengotor
(impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan berubah.9
Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan
setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari
luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping.
Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan
meningkatkan konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang
didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P, As
atau Sb.
Pada Gb. IV ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P.
Pada gambar tersebut, 4 dari 5 elektron kelima dari atom P tidak
mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan berputar
mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah
perbedaan yang penting.
Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari
Kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H.
Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari Kristal dari
perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira
kira 80 A0 dibandingkan 0, 5 A0 dari orbit hydrogen. Ini dapat
diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas dari tingkat energinya
9 http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.pdf
-
berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita
eksistansi. Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan
elektronnya pada semi konduktor. Tingkat energy dari elektron ke- 5
dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan dari
elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif)
disebut semi konduktor tipe n.
Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu
semikonduktor tipe-n, dan semikonduktor tipe-p.
a. Semikonduktor tipe-n
Semi konduktor tipe N termasuk dalam semi konduktor
ekstrinsik (tak murni). Semi konduktor ekstrinsik adalah
semikonduktor instrinsik yang mendapat pengotoran (doping) atom
atom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan
perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar
antara 1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1 juta.
Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa
muatan saja (Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk
memperbesar daya hantar listrik. Semikonduktor tipe N ialah
semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari semikonduktor
intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti
As, Pb, P.
Begitu pula dalam Gb.VIII telah ditunjukkan semikonduktor
tipe n.Disini tanda minus melambangkan elektron bebas,sedangkan
tanda plus yang dilingkari itu melambangkan elektron
-
bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan
atom donor yang mengandung elektron bebas dalam
orbitnya.Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor
bersangkutan merupakan satuan yang netral.Jika salah satu elektron
tersebut meninggalkan orbitnya dari sekeliling atom donor dan
pindah kepada orbit atom lain,maka atom donor itu menjadi ion
positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini
tidak dapat bergerak leluasa karena terikat dalam struktur
kristalnya10
Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat
kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-
atom asli. Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak
terikat dalam ikatan kovalen sehingga menjadi elektron bebas.
Dengan demikian pada bahan ini jumlah elektron bebas akan
meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga elektron
bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang
terbentuk akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas. Karena
pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang
elektron bebas bermuatan negatif, maka semikonduktor yang
terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. Dalam hal ini N
kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya.
Jadi tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif.
Semikonduktor ini tetap netral. Bahan tipe n itu bersifat netral
karena mengandung tanda minus dan tanda plus yang berjumlah
sama
b. Semikonduktor tipe-p
Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang
dikotori dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau
Ga. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat
kecil, maka setiap atom pengotor hanya bervalensi 3 maka hanya
10 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang
-
menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga ada
kekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian
pengotoran ini menyebabkan meningkatnya jumlah hole atau
dengan kata lain hole sebagai pembawa muatan mayoritas. Sedang
pembawa muatan moniritasnya adalah elektron bebas yang
terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena
pembawa muatan mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif
maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor tipe P.
dalam hal ini P kependekan dari kata positif, yakni jenis muatan
mayoritasnya. Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan
positif, tetapi semikonduktor ini tetap netral, seperti halnya
semikonduktor tipe N. karena atom pengotor menyediakan
kekurangan, maka disebut aseptor (atom aseptor). Hole mudah diisi
oleh elektron dan elektron yang mengisi meninggalkan hole baru
dan seterusnya sehingga ada gerakan hole. Setelah hole diisi oleh
elektron, aseptor akan menjadi ion negatif.11
Gb.VIII menunjukkan suatu semikonduktor tipe p. Masing-
masing tanda plus merupakan lambang dari suatu
lubang,sedangkan masing-masing tanda minus yang dilingkari itu
merupakan representasi suatu atom akseptor yang mengandung
lubang-lubang tersebut.Secara bersama lubang dan atom akseptor
merupakan satuan yang netral.Namun bila suatu lubang
11http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bahan%20Semiko
nduktor.pdf
-
menghilang karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron,maka
atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negative
yang berlebihan dan menjadi ion negative. Bahan tipe p tersebut
bersifat netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda
minus. 12
12 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang
-
BAB II
B. BAHAN DIELEKTRIK
Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat
kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat,
cair dan gas. Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat
elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh
pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan
muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan
dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam bahan dielektrik, semua
elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu
struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas,
bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran
massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu
dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah
di mana muatan tadi ditempat. Dielektik ada tiga jenis, yaitu padat (solid), cair
(liquid) dan udara (gas). Setiap bahan dielektrik memiliki kekuatan dielektrik
tertentu, yaitu tekanan elektrik yang dapat ditahannya dimana dielektrik
tersebut tidak berubah sifat menjadi konduktif (tembus listrik).
a. Fungsi Bahan Dielektrik
1. Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada
kapasitor.
2. Untuk mengisolasi antara penghantar dengan pengahantar yang lain.
Misalnya konduktor fasa dengan tanah.
3. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang
diisolasi.
4. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan oleh medan elektrik, gaya mekanik, thermal
maupun kimia dapat terjadi secara serentak. Dengan kata lain, suatu
bahan dielektrik dapat dikatakan ekonomis jika bahan dielektrik
tersebut dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama.
-
b. Syarat Bahan Dielektrik
1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem
isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,
sehingga harganya semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak
melebihi batas yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan
elektrik permukaan.
4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat
arus pemuatan tidak melebihi yang diijinkan.
5. Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).
6. Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
7. Konduktivitas panas yang tinggi.
8. Koefisien muai panas yang rendah.Tidak mudah terbakar.
9. Tahan terhadap busur api.
10. Daya serap air yang rendah.
Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu
memenuhi semua syarat-syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi
tentang sifat-sifat apa saja yang lebih diutamakan.
c. Karakteristik Bahan Dielektrik
Ada beberapa sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui yaitu:
1. Kekuatan dielektrik
Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut
dengan kekuatan dielektrik, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi
yang dapat ditahan oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya
menjadi konduktif. Apabila suatu dielektrik berubah sifatnya menjadi
konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown).
Kekuatan dielektrik ini disebut juga dengan kuat medan kritis.
Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan
minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut. Kekuatan
dielektrik dari suatu bahan isolasi dinyatakan dengan tegangan
-
maksimum yang dapat ditahan oleh suatu medium tanpa merusaknya.
Dengan kata lain, kekuatan dielektrik dinyatakan dengan gradien
tegangan yang diperlukan supaya dielektrik itu mengalami tembus
listrik.
2. Konduktansi
Apabila tegangan searah diberikan pada plat-plat sebuah kapasitor
komersil dengan isolasi seperti mika, porselin atau kertas maka arus
yang timbul tidak berhenti mengalir untuk waktu yang singkat, tetapi
turun perlahan-lahan. Hal itu disebabkan oleh ketiga komponen arus
yang terdapat di dalam dielektrik tersebut seperti diperlihatkan pada
gambar 2.4. di bawah ini
Arus pengisian (ip) terjadi selama waktu t1. Arus pengisian
disebabkan oleh molekul-molekul yang bergerak cepat sehingga
terpolarisasi dengan cepat pula. Kemudian arus berkurang perlahan-
lahan selama t2, arus ini disebut arus absorpsi (ia). Arus absorpsi terjadi
karena adanya gerakan-gerakan lambat (viscous) dari molekul-molekul
dielektrik. Akhirnya arus mencapai nilai tertentu (ik), arus ini disebut
arus konduksi. Arus ini tetap mengalir dengan konstan karena tahanan
dielektirk tidak mencapai nilai tak hingga.
3. Rugi-rugi dielektrik
Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah
satu ukuran penting terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan
dielektrik tersusun atas molekul-molekul dan elektron-elektron di
dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya. Ketika bahan tersebut
-
belum dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik tersebut
masih belum beraturan (tidak tersusun rapi), seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.5.a.
Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka
muatan inti positif mengalami gaya yang searah dengan medan listrik
dan elektron-elektron dalam molekul tersebut akan mengalami gaya
listrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik tadi. Gaya
listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari posisi semula,
akibatnya molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah
arahnya sejajar dengan arah medan listrik, seperti pada Gambar 2.5.b.
Karena mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya,
maka arah dipol juga berubah-ubah setiap saat (1800) terhadap posisi
semula, seperti pada Gambar 2.5.c. Perubahan arah molekul akan
menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan listrik yang
berubah setiap saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi berulang-
ulang. Gesekan ini akan menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-
rugi dielektrik.
4. Kekuatan kerak isolasi
Bila suatu sistem isolasi diberikan tekanan dielektrik, maka arus
akan mengalir pada permukaannya. Besar arus permukaan ini
ditentukan tahanan permukaan sistem isolasi. Arus ini sering juga
disebut dengan arus bocor arus yang menyelusuri sirip isolator. Mudah
dipahami, bahwa besar arus tersebut dipengaruhi oleh kondisi
sekitarnya, yaitu suhu, tekanan, kelembapan dan polusi. Secara teknis,
sistem isolasi harus mampu memikul arus bocor tersebut tanpa
-
menimbulkan pemburukan pada permukaan sistem isolasi atau
setidaknya pemburukan karena arus bocor tersebut dapat dibatasi.
Arus bocor menimbulkan panas, dan hasil sampingannya adalah
timbulnya penguraian pada bahan kimia yang membentuk permukaan
sistem isolasi. Efek yang sangat nyata dari penguaraian ini adalah
timbulnya kerak (jejak arus). Kerak dapat membentuk suatu lajur
konduktif yang selanjutnya akan menimbulkan tekanan elektrik yang
berlebihan pada sistem isolasi. Panas yang ditimbulkan arus bocor
dapat juga menimbulkan erosi tanpa didahului oleh adanya kerak
konduktif.
Terjadinya kerak tidak terbatas hanya pada permukaan isolasi
pasangan luar, tetapi dapat juga terjadi pada isolasi peralatan pasangan
dalam yang terpasang pada tempat kotor dan lembab, juga pada isolasi
yang terpasang dibahagian dalam peralatan itu sendiri. Semua kejadian
itu dipengaruhi sifat material, bentuk dan kehalusan permukaan
elektroda, juga oleh pengaruh luar.
C. MATERIAL DIELEKTRIK
Material dielektrik umumnya jenis kovalen dan ionik, mempunyai senjang
energi yang besar antara pita valensi dan pita konduksi. Material ini
mempunyai tahanan listrik tinggi dan aplikasi terpenting adalah sebagai
isolator, yang menghalangi transfer muatan listrik, dan kapasitor yang
menyimpan muatan listrik. Material dielektrik juga mempunyai sifat
piezoelektrik dan feroelektrik.13
Material dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa aliran arus.
Dengan demikian, logam bukanlah dielektrik, tetapi banyak (tidak semua)
keramik dan polimer digolongkan ke dalam kategori ini. Dalam keadaan yang
paling sederhana, dielektrik merupakan isolator, memainkan peran inert di
13 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi
Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal: 207-209
-
dalam rangkaian listrik. Sifat utama yang harus dimiliki suatu isolator ialah
kekuatan dielektrik. Isolator yang bagus memiliki nilai yang tinggi untuk
keduanya, akan tetapi tidak ada korelasi antara keduanya karena pada akhirnya
kegagalan listrik umumnya terjadi akibat adanya pengotor, retak, garit (flaw),
dan ketaksempurnaan lainnya, dan bukan karakteristik bawaan material
tersebut. Ini juga menjelaskan mengapa kekuatan dielektrik merupakan fungsi
ketebalan.
Material material dielektrik tidak mengahantarkan arus listrik. Namun
demikian, material-material dielektrik tersebut tidak sepenuhnya inert terhadap
medan listrik. Elektron dan nukleus-nukleus atom mengandung proton akan
menggeser posisi mereka sebagai tanggapan terhadap medan ini. Sebagai
contoh posisi rata-rata elektron akan terletak pada sisi atom yang lebih dekat ke
elektroda positif, sementara nukleus atomiknya sendiri yang mengandung
proton, akan sedikit bergeser ke arah elektron negative. Kita menyebut
pergeseran ini sebagai polarisasi.14
Tabel 1.1 sifat sifat Isolator Listrik
14 Lawrence H. Van Vlack, Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material, (Jakarta : Erlangga, 2001), hlm 478
-
Keadaan ini timbul oleh beberapa kemungkinan, mekanisme elektronik,
ionic atau molekuler.
1. Polarisasi Elektronik
Pada polarisasi elektronik, awan elektronik suatu atom digeser
terhadap inti ion bermuatan positif dan membentuk dipole dengan momen
e.15 Karena polarisasi elektronik berukuran kecil, elektron-elektron
memiliki frekuensi alami yang sangat tinggi (~1016 Hz) pada saat elektron-
elektron ini membentuk gelombang-tegaknya di sekeliling atom atom itu.
Dengan demikian, polarisasi ini dapat terjadi tidak saja dalam rangkaian 60
Hz dan pada frekuensi radio, tetapi juga sebagai tanggapan terhadap
frekuensi cahaya (~1015 Hz).16
2. Polarisasi Ionik
Pada padatan ionik yang berada dalam medan listrik, ikatan antar
ion mengalami deformasi elastik dan bergantung pada arah medan, jarak
antara anion-kanion mengecil atau membesar. Dipole terinduksi ini
mengahasilkan polarisasi yang dapat menimbulkan dimensi.
3. Polarisasi Molekuler
Polarisasi molekuler terjadi dalam material molekuler. Material
seperti ini disebut polar dan pengaruh medan pada material ini akan
mengubah polarisasi dengan perpindahan atom dan dengan demikian
terjadi perubahan medan pada momen dipol (yaitu kemampuan polarisasi
15 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi
Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 217
16 Lawrence H. Van Vlack, op. Cit. hlm. 479
-
atomic) atau molekul secara keseluruhan mengalami rotasi sehingga searah
dengan medan yang diterapkan (yaitu kemampuan polarisasi orientasi).
Apabila medan di hilangkan, dipol tersebut tetap terarah, dan terjadi
polarisasi permanen. Dipol permanen dijumpai pada molekul asimetris
seperti H2O, polimer organic dengan sturktur asimetri Kristal keramik
tanpa pusat simetri.17
4. Perhitungan Polarisasi
1. Momen Dipol
Momen dipol listrik dari suatu atom molekul (atau atom atau sel
satuan) yang terpolarisasi merupakan hasilkali antara muatan Q dan
jarak antara pusat muatan-positif dan pusat muatan-negatif:
=
2. Konstanta Dielektrik
Apabila kedua permukaan plastik disapu bahan isolator, kemudian
di atas bahan isolator diempatkan plat logam paralel satu sama
lainnya, dan jika kedua plat diberikan medan listrik tetap terjadi tarik
menarik antara keduanya. Medan listrik yang terlindung oleh plat
17 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi
Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 219
-
logam dapat menembus siolator. Bahan isolator seperti itu disebut
bahan dielektrik.18
Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif adalah sebuah
konstanta yang melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam
suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta ini merupakan
perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika
diberi sebauh potensial, relatif terhadap ruang hampa, yang dapat
ditulis secara sistematis :
= 0
Ket : = permitivitas statis bahan
0 = permitivitas ruang hampa
Suatu medan listrik menyebabkan terjadinya polarisasi elektron dan
polarisasi ionik dan dapat mengorientasikan molekul yang terpolasasi
permanen. Sebaliknya, polarisasi akan menyebabkan terjadinya kenaikan
densitas muatan pada suatu kapasitor. Kita dapat melihat ini dengan cara
memisahkan dua pelat kapasitor sejauh d dan memberikan tegangan E di
antara kedua pelat tersebut (Gambar 13-2.1). Medan listriknya, , adalah
gradient tegangannya:
=
dalam keadaan ini, apabila tidak terdapat apa-apa di antara kedua pelat
itu (Gambar 13-2.1 a), densitas muatan, 0 pada setiap pelat
berbanding lurus terhadap medan , dengan konstanta kesebandingan
0sebesar 8,85 x 1012 C/V. m:
= 0 = (8,85 1012
. )
Dengan demikian, jika gradient tegangan 1 V/m, akan terdapat
8,85 1012 /2 pada elektroda. Dengan setiap elektron
18 Christian Ghartsen, LISTRIK MAGNET DAN OPTIK, (Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa), hlm 35
-
yang membawa muatan sebesar 0,16 x 10-18 C, densitas elektron pada
elektrodanya akan sama dengan 55 x 106 m2 (atau 55 mm2). Gariden
tegangan biasanya jauh lebih tinggi pada rangkaian listrik, sehingga
densitas muatannya jauh lebih besar.
Jika sebarang material ditempatkan di antara pelat-pelat kapasitor
pada gambar 13-2.1 (b), densitas muatan pada pelat akan naik akibat
polarisasi yang terjadi di dalam materialnya. Sebagai akibatnya,
pergesaran muatan-negatif kea rah atas dalam material itu (dan
pergeseran muatan-positif ke arah bawah) akan menaikkan nilai D
pada persamaan (13-2.4) sebesar faktor konstan, k.
= 0
Faktor ini, yang disebut konstanta dielektrik relative, merupakan
rasio
0, densitas muatan dengan dan tanpa adanya material pembuat
jarak pada gambar 13-2.1. kontanta dielektrik relatif merupakan salah
satu sifat dari material yang digunakan sebagai dielektrik. Tabel 13-
2.1 memuat kontanta dielektrik relatif untuk sejumlah dielektrik yang
lazim. Perhatikan bahwa dieleketrik- dielektrik ini dapat saja peka
terhadap suhu dan terhadap frekuensi. Kita juga dapat memandang
polarisasi sebagai densitas muatan tambahan yang berasal dari
dielektrik,
= 0
Dan dari dua persamaan sebelumnya maka :
= ( 1)0
GAMBAR 13-2.1
-
Tabel Konstanta konstanta Dielektrik :
a. Dielektrik Keramik
1. Material piezoelektrik
Apabila material tertentu diberi tegangan, terjadi polarisasi listrik
sebanding dengan besar tegangan yang diterapkan. Efek terkenal ini
disebut efek piezoelektrik. Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik
terbentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat ini medan
listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan
menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi
dengan molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi.
Material yang mempunyai sifat ini meliputi kuarsa, BaTiO3, Pb(Ti,
Zr)O3 PZT dan Na atau LiNbO3. Konstanta piezoelektrik dimanfaatkan
untuk kuarsa yang menghubungkan regangan dengan kekuatan medan
( = ) sama dengan 2,3 x 10-12 mV-1 sedang untuk PZT sama
-
dengan 250 x 10-12 mV-1. Efek piezoelektrik dimanfaatkan pada
transduser yang mengubah gelombang suara menjadi medan listrik atau
sebaliknya. Aplikasi mulai dari mikrofon, pada alat ini dihasilkan
tegangan senilai beberapa milivolt, hingga perangkat militer yang
menghasilkan beberapa kilovolt dan dari pergeseran kecil berukuran
sub-nanometer pada cermin terdeformasi secara piezoelektrik hingga
deformasi-besar pada traduser daya.
Untuk lebih memahami lihatlah gambar skema material
piezoelektrik berikut :
Dari gambar di atas dapat terlihat :
A. Sebelum diberi tekanan atau medam listrik
B. Ketika diberi medan listrik, bahan memanjanag
C. Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek
D. Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar
terjadi
2. Material Pieroelektrik
Beberapa material yang mempunyai simetri Kristal rendah,
diketahui bermuatan listrik apabila dipanaskan, hal ini disebut
piroelektri. Karena simetrisnya rendah, letak pusat gravitasi muatan
positif dan negatif di sel satuan terpisah sehingga terbentuk momen
dipol permanen. Selain itu, pengaruhnya dipol individu menghasilkan
dipol menyeluruh yang tidak sama dengan nol untuk Kristal tersebut.
Material piroelektrik digunakan sebagai detector radiasi
elektromagnetik untuk rentang yang lebar mulai dari ultraviolet hingga
-
kelompok mikro, pada radiometer dan thermometer yang peka
terhadap perubahan temperature yang kecil yaitu 6 x 10-6 oC. Telah
dikembangkan pula Tabung kamera TV piroelektrik untuk pembuatan
citra inframerah gelombang-panjang yang sangat panjang dan sangat
beramanfaat pula untuk penginderaan dalam asap. Material tipikal
adalah strontium barium niobat dan PZT dengan tambahan Pb2FeNbO6
untuk memperlebar rentang temperature operasi.
3. Material Feroelektrik
Feroelektrik adalah gejala terjadinya polarisasi listrik spontan
tanpa bahan tersebut menerima medan listrik dari luar bahan.
Feroelektrik merupakan kelompok material dielektrik dengan
polarisasi listrik internal yang lebar P (C/m2) yang dapat diubah
menggunakan medan listrik yang sesuai. Material Feroelektrik
dicirikan oleh kemampuan untuk membentuk kurva histeris yaitu kurva
yang menghubungkan antara medan listrik dan polarisasi. Polarisasi
terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari
luar dan simetri pada stuktur kristalografi di dalam sel satuan.
Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik,
maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan
menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang
menyebabkan polarisasi. Momen dipol Pe dari molekul (atom
atau sel satuan) yang terpolarisasi adalah hasil kali muatan Q
dan jarak de antara pusat muatan positif dan negatif (Van, 1989)
Pe = Qd
Dengan Pe adalah momen dipol listrik (coulomb meter), Q
adalah muatan (coulomb), de adalah jarak antar muatan (meter).
Nilai Polarisasi listrik spontan (Ps) dihitung berdasarkan persamaan
sebagai berikut:
Ps = ( Q de) /(V) Dengan ( Q de) adalah jumlah momen dipol
dan V adalah volume unit sel. Material ferroelektrik dicirikan
mempunyai kemampuan untuk membentuk kurva histersi yaitu kurva
-
yang menghubungkan antara medan listrik dan polarisasi. Kurva
hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)
ditunjukkan pada Gambar berikut :
Material feroelektrik adalah material yang tetap mempertahankan
polarisasi bersih meskipun medan ditiadakan dan hal ini dapat
dijelaskan dengan mengacu pengarahan residual dari dipol permanen.
Tidak semua material yang mempunyai dipol permanen menampilkan
perilaku feroelektrik karena dipol tersebut akan berubah menjadi
susunan acak apabila medan ditiadakan sehingga tidak ada polarisasi
bersih yang tertinggal. Feroelektrik termasuk golongan yang sama
dengan piroelektrik; pada material feroelektrik arah polarisasi spontan
dapat diputar balik oleh medan listrik (gambar) sedangkan hal ini tidak
mungkin untuk piroelektrik. Efek ini dapat diperlihatkan dengan
penjelasan yang sama untuk loop hesteris magnetic B-H (lihat
gambar). Dengan meningkatnya medan positif, semua dipol terarahkan
dan menghasilkan polarisasi jenuh. Bila medan ditiadakan tersisa
polarisasi remanens karena ada interaksi kopling antar dipol.
Material mengalami polarisasi permanen sehingga perlu dterapkan
medan koersif untuk mengacak lagi arah dipol dan menghilangkan
polarisasi.
-
Sama seperti feromagnetik, feroelektriksitas bergantung pada
temperatur dan lenyap di atas temperatur yang ekivalen dengan
temperatur Curie. Feroelektirk BaTiO3 lenyap pada 120oC ketika
terjadi perubahan struktur material. Analogi dengan magnetisme juga
terdapat analogi dengan feroelektrik dengan untuk anti
feromagnetisme dan ferimagnetisme. Sebagai contoh NaNbO3
mempunyai sebesar 640oC dan dipol listrik antiparel dengan momen
yang tidak sama yang merupakan karakteristik material ferielektrik.
4. Aplikasi Dielektrik
1. Kapasitor dan Isolator
Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang
mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi ~1011 V
A-1 m untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor.
Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permivitas ,
dan permitivitas relative atau konstanta dielektrik adalah rasio antara
permitivitas material dan vakum 0. Nilai yang tinggi penting untuk
kapasitor, disamping itu juga diperlukan kekuatan dielektrik tinggi atau
tegangan tembus tinggi. Nilai konstanta dielektrik untuk vakum, air,
poletilen, gelas pyrex, alumina, dan barium titanat masing-masing
adalah 1; 78,3; 2,3; 4; 6,5 dan 3000.
Struktur merupakan ciri perilaku dielektrik yang penting. polimer
mirip gelas dan material kristalin mempunyai nilai yang lebih rendah
dibandingkan dengan material amorf. Polimer dengan rantai asimetris
mempunyai yang lebih tinggi karena kekuatan dipol molekuler
terkait; jadi polivinil klorida (PVC) dan polistiren (PS) mempunyai
yang lebih besar daripada polietilen (PE). BaTiO3 mempunyai nilai
yang sangat tinggi karena sturktur yang asimetris. Respon terhadap
frekuensi juga penting untuk aplikasi dielektrik, bergantung pada
mekanisme polarisasi. Material yang mempunyai dipol elektronik dan
ionik mempunyai respon cepat terhadap frekuensi 1013-1016 Hz tetapi
respon padatan polarisasi molekuler lebih lambat, karena di sini
-
diperlukan pengaturan kembali dari kelompok atom. Frekuensi juga
penting untuk mengendalikan kehilangan dielektrik akibat panas dan
kehilangan ini meningkat apabila salah satu kontribusi terhadap
polarisasi mengalami hambatan. Perilaku ini biasa terjadi pada
pemanasan perekat polimer oleh gelombang mikro; pemanasan
setempat dari perekat terjadi karena kehilangan dielektrik dan memicu
reaksi termoset. Untuk mencapai peningkatan sedang, tegangan dan
temperature dinaikkan sehingga terjadi peningkatan kemampuan
polarisasi yang menghasilkan kontanta dielektrik lebih tinggi.
Sekarang kapasitor dielektrik terdiri dari gabungan material dengan
ketergantungan temperature yang berbeda untuk menghasilkan produk
akhir dengan variasi temperatur linear yang kecil. Material tersebut
adalahtitanat Ba, titanat Ca, titanat Mg, titanat Sr dan logam tanah
jarang.
Material untuk isolator harus memiliki tahanan listrik tinggi,
kekuatan dielektrik tinggi untuk mencegah tembusnya tegangan tinggi,
kehilangan dielketrik yang rendah untuk mencegah pemanasan dan
konstanta dielektrik kecil untuk menghalangi polarisasi dan
penyimpanan muatan. Material yang semakin popular adalah
alumunium, alumunium nitrada, keramik gelas, porselin setatit, dan
gelas.19
19 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi
Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 210
-
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan penjabaran di atas dapat disimpulkan bahwa:
1. Bahan elektrik adalah suatu material yang dapat dialiri ataupun mengalirkan
arus listrik.
2. Bahan konduktor, isolator, semikonduktor dan dielektrik merupan bagian dari
bahan elektrik.
3. Konduktor adalah bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan arus
listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang baik.
4. Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan
muatan listrik
5. Semikonduktor yaitu bahan-bahan yang bukan merupakan konduktor dan bukan
isolator.
6. Semikonduktor dibagi menjadi dua yaitu semikonduktor intrinsik dan
semikonduktor ekstrinsik
7. Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat
kecil atau bahkan hampir tidak ada.
8. Material dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa aliran arus.
Material dielektrik juga mempunyai sifat piezoelektrik dan feroelektrik,
aplikasi dari dielektrik yaitu kapasitor dan isolator.
-
DAFTAR PUSTAKA
Ghartsen Christian, LISTRIK MAGNET DAN OPTIK. Jakarta: Pusat Pembinaan
dan Pengembangan Bahasa
Hertanti, Erina. 2014. Elektro 4 (Power Point). Jakarta : Erlangga
Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan
Rangkain Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Jakarta : Erlangga
Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa
Material (Edisi Keenam). Jakarta : Erlangga
Vlack Lawrence H. Van. 2001. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material.
Jakarta : Erlangga
Chapter II. Pdf diakses pada 10 Oktober 2015 pukul 18:50
https://id.wikipedia.org/wiki/Isolator_listrik diakses pada 10 Oktober 2015 pukul 11:35
WIB
http://www.slideshare.net/Renha2jk/tugas-makalah-isolator diakses pada 10 Oktober
2015 pukul 11:37
http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bah
an%20Semikonduktor.pdf diakses pada 10 september 2015 pukul 14:32
http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.p
df diakses pada 10 september 2015 pukul 14:45
Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang
diakses pada 2 Oktober 2015 pukul 14:40
top related