5

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Material Keramik Semikonduktor

Keramik berasal dari kata Yunani yaitu “keramos” yang berarti tembikar

(pottery) atau peralatan terbuat dari tanah (earthenware). Keramik adalah bahan

padat anorganik yang merupakan paduan dari unsur logam dan non logam. Pada

umumnya ikatan atom pada material keramik didominasi oleh ikatan ionik. Atom

logam dalam keramik akan menjadi kation (bermuatan positif) dan atom non-

logam menjadi anion (bermuatan negatif). Material keramik memiliki

karakteristik yang memungkinkan digunakan untuk berbagai divais, karena sifat-

sifatnya (Anonim,2009) seperti:

• Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah;

• Tahan korosi;

• Sifat listriknya dapat berupa isolator, semikonduktor, konduktor bahkan

superkonduktor;

• Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik;

• Keras dan kuat, namun rapuh; dan

• Kerapatan yang rendah dan juga titik leleh yang tinggi.

Keramik dapat dibagi menjadi beberapa golongan yaitu isolator,

semikonduktor, dan konduktor. Salah satu cara untuk menunjukkan perbedaan

antara konduktor, semikonduktor, dan isolator yaitu dengan penggambaran

tingkat-tingkat energi dalam bentuk pita energi untuk elektron-elektron dalam

6

bahan. Penggambaran pita energi untuk masing-masing material tersebut

ditunjukkan pada gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1 Pita energi dari (a) isolator, (b) semikonduktor, dan (c)

konduktor

Pada isolator, ujung atas pita valensi dengan ujung bawah pita konduksi

dipisahkan oleh celah pita energi (bandgap) yang lebar. Pada konduktor, ujung

atas pita valensi dan ujung bawah pita konduksi saling tumpang-tindih (overlap).

Sedangkan pada semikonduktor, celah pita energi antara pita valensi dan pita

konduksi cukup kecil sehingga dengan pemberian sedikit energi termal saja sudah

cukup untuk dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi,

dengan demikian sifat listriknya akan berubah.

Bahan keramik semikonduktor memiliki nilai konduktivitas listrik berada

diantara isolator dan konduktor. Oleh karena itu, keramik semikonduktor dapat

bersifat sebagai isolator ataupun konduktor. Sifat inilah yang memungkinkan

keramik semikonduktor banyak dipakai sebagai divais dalam bidang elektronika.

Secara umum ada tiga cara pembentukan elektron bebas dan hole dalam bahan

keramik semikonduktor, yaitu:

Energi elektron

Level fermi

Pita valensi

Pita valensi

Pita valensi

Pita konduksi

(a) Isolator (c) Semikonduktor (e) Konduktor

Pita konduksi Pita konduksi

7

2.1.1 Eksitasi Melewati Band Gap

Pada material semikonduktor khususnya semikonduktor intrinsik, eksitasi

elektron terjadi melewati bandgap dari pita valensi ke pita konduksi. Contohnya

pada pembentukan ikatan atom Si (silikon). Senyawa silikon memiliki band gap

sebesar 1,12 eV (Carter et.al, 2007). Jika senyawa silikon tersebut diberi energi

termal atau diberi energi cahaya yang lebih besar atau sama dengan 1,12 eV, maka

elektron dari tingkat valensi akan tereksitasi ke tingkat konduksi.

Gambar 2.2 Diagram pita energi pada silikon (Carter et.al, 2007)

2.1.2 Pemberian Pengotor (Dopant)

Pemberian pengotor (dopant) dapat menyebabkan munculnya tingkat

energi baru dalam energi gap. Perubahan tingkat energi ini dapat digolongkan

menjadi dua bagian tingkat energi yaitu tingkat akseptor dan tingkat donor.

Tingkat akseptor merupakan tingkat energi yang muncul di ujung atas tingkat

valensi, karena dapat menerima elektron yang meninggalkan pita valensi.

Sedangkan tingkat donor merupakan tingkat energi yang muncul di ujung bawah

pita konduksi, karena tingkat ini dapat memberikan elektron ke tingkat konduksi.

Level fermi

Pemberian energi sebesar

1,12 eV atau lebih

Pada 0 K

Tidak ada elektron pada pita konduksi

Pita

valensi

Pita

konduksi

1,12 eV

8

Gambar 2.3 Pemberian dopant pada struktur band gap semikonduktor

memunculkan tingkat energi baru yaitu tingkat donor dan

tingkat akseptor (Carter et.al, 2007)

Pemberian pengotor (dopan) ini dapat mempengaruhi sifat-sifat listrik di

dalam keramik semikonduktor tersebut. Adanya pengotor (dopan) dapat

mengubah nilai konduktivitas dan resistivitasnya.

2.1.3 Semikonduktor Nonstoikiometri

Semikonduktor nonstoikiometri terjadi karena elektron dan hole tereksitasi

dalam pita konduksi dan valensi sebagai hasil reduksi atau oksidasi. Pada keadaan

ini, proses yang terjadi hampir sama dengan semikonduktor ekstrinsik, tetapi

muncul cacat elektron sebagai hasil stoikiometri kristal. (Carter et.al, 2007).

Material keramik semikonduktor yang sering digunakan dalam berbagai

divais, contohnya material logam oksida semikonduktor. Material logam oksida

semikonduktor merupakan keramik semikonduktor yang berikatan dengan unsur

oksigen. Jenis material semikonduktor ini termasuk ke dalam materal

semikonduktor nonstoikiometri. Contoh material oksida semikonduktor

diantaranya adalah SnO2, ZnO, MgO, Fe2O3, dan lain-lain (Carter et.al, 2007).

9

2.2 Timah oksida (SnO2)

Timah oksida (SnO2) merupakan keramik semikonduktor tipe-n yang dapat

ditemukan dalam bentuk mineral kasiterit. Juga dapat dihasilkan melalui logam

timah yang dioksidasi pada titik lebur yang tinggi. Bahan SnO2 ini merupakan

suatu senyawa ionik yang nonstoikiometri, karena adanya cacat titik berupa

kelebihan atom logam Sn (Stannic). SnO2 banyak dimanfaatkan untuk berbagai

aplikasi karena stabil terhadap perlakuan panas, biaya pendeposisiannya yang

relatif murah, memiliki kereaktifan yang tinggi terhadap bermacam-macam gas

dan sifat chemoresistor yang baik (Stetter,2002).

Gambar 2.4 Serbuk SnO2 (Wikipedia, 2010)

Sel satuan dari SnO2 berisi 6 atom, yaitu 2 atom timah dan 4 atom oksigen.

Dengan besar energi gap 3.6 eV, marerial ini memiliki konduktifitas yang rendah

pada temperatur kamar. Tetapi konduktifitasnya dapat meningkat dengan

pemberian doping atau pengotor. Hal itu juga menjadi bagian yang sangat penting

untuk membuat sensor gas SnO2 dalam mendapatkan sensitivitas yang baik

terhadap gas. Pengaruh penambahan Ta2O5 pada senyawa SnO2 dapat mengubah

sifat listrik di dalam bahan SnO2.

10

Gambar 2.5 Struktur kristal SnO2 (Martin Sinner dan Hettenbach, 2000)

2.3 Teknologi film tebal

Teknologi film tebal dilakukan dengan proses screen printing, dan

pembakaran. Proses ini termasuk proses standar dalam pembuatan sebuah divais

semikonduktor.

Bahan film tebal terdiri dari:

• Serbuk oksida semikonduktor

• Screen, merupakan tenunan berlubang-lubang yang terbuat dari serat

yang berfungsi untuk menentukan pola yang akan dicetak dan

menentukan ketebalan film yang menempel pada substrat. Bahan

yang digunakan sebagai serat dapat berupa polyester, nylon dan

stainless steel. Ketiga bahan tersebut mempunyai karakteristik yang

berbeda. Umumnya bahan screen yang digunakan dalam proses

teknologi film tebal ini menggunakan bahan stainless steel.

• Rakel (squeege) berfungsi untuk memindahkan pasta ke substrat

dengan cara menekan pasta ke dalam screen. Tegangan permukaan

akan menahan pasta pada substrat saat posisi screen kembali ke

11

keadaan semula. Bahan yang digunakan sebagai rakel adalah

neoprine, polyrethana dan Viton. Posisi rakel harus menjadikan sisi

tajam membentuk sudut 45 sampai 60 terhadap permukaan screen.

Tekanan rakel terhadap screen akan berpengaruh terhadap hasil

cetakan. Bila tekanan terlalu ringan maka pasta yang akan

dilewatkan screen sangat sedikit, begitu pula sebaliknya.

• Frit terbuat dari beberapa campuran, yaitu; berbahan dasar

palladium, ruthenium, platina, iradium, campuran antara (PbO, SiO2,

B2O3) dan campuran lainnya.

• Senyawa organik atau Organic Vehicle (OV) yaitu senyawa yang

memberikan sifat fluida pada partikel-partikel semikonduktor agar

dapat dicetak pada substrat. Bahan yang digunakan biasanya berupa

campuran terpineol, etil celulosa ataupun resin.

• Substrat, merupakan tempat jalur interkoneksi rangkaian serta

tempat interkoneksi antara divais aktif maupun pasif (Efendi H.,

1994). Fungsi Substrat dalam rangkaian film tebal, yaitu :

1. Sebagai penunjang interkoneksi dan perakitan divais.

2. Sebagai isolator dan tempat pelapisan serta pembentukan pola

jalur konduktor.

3. Media penyalur panas dari rangkaian.

4. Sebagai lapisan dielektrik untuk rangkaian-rangkaian frekuensi

tinggi. (Harper, 1994:27)

Secara umum substrat harus mempunyai sifat :

12

1. Kestabilan dimensi (tidak mudah berubah)

2. Tahan terhadap gesekan

3. Konstanta dielektrik yang rendah

4. Permukaan rata dan halus

5. Stabilitas kimia yang baik dan kecocokan dengan pasta

6. Penghantar panas yang baik

7. Daya serapnya rendah

8. Jenis isolator yang baik

Bahan substrat yang banyak digunakan untuk rangkaian film tebal

adalah alumina, berylia, gelas, quarz dan sapphire atau kombinasi

dari bahan-bahan tersebut.

• Konduktor, sebagai jalur penghubung untuk rangkaian listrik. Bisa

terbuat dari perak, campuran logam palladium dan perak, palladium

dan emas, platina dan emas, serta campuran lainnya.

2.4 Sensor gas

Sensor berasal dari kata Greek yaitu ‘sentire’ yang artinya pemerhati atau

pendeteksi. Biasanya dianggap mempunyai hubungan dengan sifat rangsangan

manusia. sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang mampu menangkap

fenomena fisika atau kimia yang kemudian diubah menjadi sinyal elektrik baik

berupa arus listrik ataupun tegangan. Fenomena fisika yang mampu memberikan

respon (sensor) untuk menghasilkan sinyal elektrik meliputi temperatur, tekanan,

gaya, medan magnet, cahaya, pergerakan dan sebagainya. Sementara fenomena

13

kimia dapat berupa konsentrasi dari bahan kimia baik cairan maupun gas (anonim,

2009).

Material yang biasa digunakan sebagai divais sensor gas biasanya berupa

bahan kristalin, memiliki banyak pori dan memiliki ukuran butir yang relatif kecil,

sehingga banyak dapat terjadi proses reaksi reduksi-oksidasi ion oksigen (O) pada

permukaan butir.

Mekanisme sensor gas

Pada dasarnya, mekanisme pada sensor gas menggunakan proses

chemishorbed, yaitu proses reaksi reduksi atau oksidasi yang terjadi pada gas

reaktan (unsur-unsur kimia dari gas) karena adanya perpindahan elektron-elektron

valensi pada atom-atom material sensor akibat adanya reaksi dengan gas-gas

reaktan tersebut. Maka terjadi perubahan konsentrasi muatan dalam material

semikonduktor yang merupakan proses transfer muatan dari partikel adsorbsi

(gas) ke permukaan sensor. Dari proses tersebut, dapat mengakibatkan

konduktifitas sensor berubah pada bahan semikonduktor (dalam hal ini SnO2).

Gambar 2.6 Model potensial barrier sebelum terdeteksi gas (Figaro,

2004:1)

14

Pada gambar 2.6 di atas, merupakan gambaran potensial barrier yang

terjadi ketika belum terdeteksi gas. Pada proses ini terjadi proses oksidasi oksigen

dari udara ke permukaan sensor. Sehingga akan memperbesar tinggi potensial

barrier.

Gambar 2.7 Model potensial barrier ketika terdeteksi adanya gas (Figaro,

2004:2)

Ketika sensor ditempatkan pada suasana gas, maka akan terjadi proses

reaksi reduksi oksigen, yaitu proses pelepasan ion-ion oksigen di permukaan

sensor karena ion-ion tersebut diikat oleh gas. Dengan demikian, rapat muatan

pada muatan negatif oksigen pada sensor akan berkurang, dan mengakibatkan

menurunnya ketinggian potensial barrier. Dengan menurunnya potensial barrier

maka hambatan sensor juga akan menurun.

Sensitivitas

Sensitivitas adalah karakteristik dari sensor gas yang diakibatkan

perubahan sifat fisika dan atau sifat kimia di bawah pengaruh gas. Sensitivitas

juga menggambarkan tingkat terkecil konsentrasi yang dapat terdeteksi oleh

sensor gas/terhadap perubahan konsentrasi yang kecil (Abhijith N, 2006:19)

15

Secara matematis, Sensitifitas dapat didefinisikan sebagai rasio dari

resistansi di udara terhadap resistansi suatu gas. Hubungan tersebut dapat ditulis

dalam persamaan (2.1) berikut: (Oleg, Lupan, dkk, 2008:3)

� � � ∆������

� �2.1�

∆R merupakan perubahan resistansi gas ketika sensor gas berada dalam

ruang. Dapat dilihat pada persamaan (2.2) (Oleg, Lupan, dkk, 2008:3)

|∆�| � ������� � ����� �2.2�

Dimana:

Rudara : resistansi sensor gas di udara,

Rgas : resistansi sensor gas ketika ada gas lain.

2.5 Mixing

Mixing adalah proses pencampuran 2 serbuk ataupun lebih. Misalnya untuk

pencampuran serbuk keramik dengan serbuk lainnya seperti pengikatnya. Selain

itu proses mixing juga bisa digunakan untuk mendapatkan distribusi ukuran

serbuk yang merata, untuk penambahan pelumasan sehingga dapat merata. Pada

gambar (2.8) dapat diketahui bagaimana pengaruh proses mixing pada campuran

serbuk.

16

Gambar 2.8. Proses mixing (German, 1994)

Proses mixing sangat penting dalam proses pembentukan serbuk.

Ketidakhomogenan serbuk akan menyebabkan proses pembentukan serbuk yang

tidak sempurna. Dalam proses mixing, kualitas campuran yang dihasilkan

sangatlah penting sebab penyimpangan campuran tidak dapat dikoreksi dalam

proses penyetaraan.

Ada banyak masalah dalam pembuatan campuran yang homogen, khususnya

pada tingkat mikroskopik. Ketidakhomogenan campuran terjadi dalam dua bentuk

utama yaitu pemisahan tingkat dari serbuk dan segregasi menurut ukuran partikel.

Segregasi yang dominan adalah segregasi ukuran partikel yang mengarah

ketidaksamaan ukuran partikel sehingga kepadatan akan menurun dan akan variasi

kepadatan dari titik ke titik. Bentuk yang kecil atau tak beraturan memerlukan

pencampuran yang lebih lama untuk mendapatkan homogenitas dan menghasilkan

perlakuan khusus terhadap campuran. Campuran kecil akan tertimbun, karena itu

peningkatan waktu dibutuhkan untuk membentuk campuran homogen. Dalam

keadaan tertimbun, campuran seragam sulit dibentuk.

17

2.6 Sol-gel

Sol-gel Merupakan proses basah-teknik kimia (Larutan Kimia Endapan)

untuk pembuatan bahan (biasanya oksida logam). Dimana sol merupakan suatu

sistem koloid, jika partikel padat terdispersi dalam zat cair sehingga partikel

terdispersi tersebut masih mengalami gerak Brownian (Brownian motion) atau

difusi Brownian (Brownian diffusion). Gel merupakan jaringan material padat

yang mengandung komponen cair, dimana keduanya berada dalam fasa terdispersi

dan terjadi jika medium pendispersi di absorbsi oleh partikel koloid sehingga

terjadi koloid yang agak padat. Sehingga pada metode sol-gel, larutan mengalami

perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam

larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang

lebih besar daripada sol). Dalam proses pembuatan sol-gel, terdapat tiga tahapan

reaksi yang dapat menggambarkan proses sol-gel yaitu sebagai berikut:

1. Hidrolisis, merupakan reaksi penggantian gugus alkoksida (-OR) oleh

gugus hidroksil (-OH),

2. Kondensasi alkohol, dimana mengandung gugus silanol (Si-OH)

menghasilkan ikatan siloksan (Si-O-Si) ditambah alkohol untuk

kondensasi alkohol.

3. Kondensasi air, dimana mengandung silanol (Si-OH) menghasilkan

ikatan siloksan (Si-O-Si) ditambah air untuk kondensasi air.

18

2.7 Sintering

Sintering merupakan proses pengubahan serbuk padat menjadi keramik yang

padat dan kuat melalui proses pemanasan material mendekati titik lelehnya

(Barsoum, 1997).

Tabel 2.1 Mekanisme pada proses sintering (Barsoum, 1997)

No Jenis sintering Mekanisme Penggerak Energi penggerak

1 Fasa cair Difusi dan aliran kental Tekanan kapiler dan

Tegangan permukaan

2 Fasa padat Difusi Perbedaan energi bebas

atau potensial kimia

Selama proses sintering berlangsung, terjadi perubahan dan ukuran pada

butiran dan pori-pori. Secara fisik, keramik yang telah disinter akan mengalami

penyusutan.

Proses sintering meliputi tiga tahap yaitu:

1. Butir membulat kemudian terjadi pembentukan leher di titik kontak antar

butir.

2. Masing-masing leher dari kedua butir dapat terlihat, akan tetapi proses

pertumbuhan leher dapat dipandang sebagai quasi-equilibrium. Batas antara

tahap pertama dan kedua tidak terlihat jelas.

3. Hubungan antar pori terputus, terbentuk pori yang terisolasi di batas butir

dan ukuran butir meningkat.

Dalam pembuatan sensor gas, proses sintering berfungsi pada proses

pembentukan butir, sehingga diharapkan dengan proses sintering ini, sensor gas

memiliki ukuran butir yang diharapkan. Butir merupakan kumpulan kristal dengan

19

orientasi yang seragam. Butir ini bisa besar bisa kecil ukurannya. Butir dalam

pertumbuhannya “terhenti” oleh pertumbuhan grain yang lain. Batas antara butir

disebut dengan batas butir/grain boundary. Batas butir terjadi karena adanya

pertumbuhan butir kristal. Apabila butir kristal tumbuh kemudian bertemu dengan

butiran kristal lain yang berbeda orientasi kristalnya maka terjadilah batas butir.

Pada material gas sensor, batas butir inilah yang mengambil peranan.

penyerapan oksigen/gas terjadi pada batas butir ini dikarenakan surface energy

(energi permukaan) pada batas butir yang lebih tinggi dari butir/kristal. Oksigen

lebih mudah terdifusi dan terserap ke daerah batas butir.