Download - Electrical Properties
Sifat Listrik pada Bahan
Setiap bahan atau material memilki karakternya masing-masing. Salah
satu karakter itu berupa sifat kelistrikan bahan. Berdasarkan sifat kelistrikannya,
bahan tergolong menjadi 3 jenis, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor.
1. Bahan konduktor (penghantar) adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik
dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity)
yang besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar
listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Contoh bahan penghantar yang
sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.
2. Bahan isolator (penyekat) adalah bahan yang befungsi untuk menyekat atau
menghalangi arus listrik (misalnya antara 2 penghantar), agar tidak terjadi aliran
listrik atau kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi
bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang
tinggi. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah plastik,
karet, dan sebagainya.
3. Bahan semikonduktor (setengah penghantar) adalah bahan yang mempunyai daya
hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar dibanding bahan
isolator. Dalam teknik elektronika banyak dipakai semikonduktor dari bahan
germanium (Ge) dan silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah bahan
pelikan dan merupakan isolator. Di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi doping.
Jika bahan tersebut didoping dengan alumunium maka diperoleh bahan
semikonduktor tipe-p (bahan yang kekurangan electron atau mempunyai sifat
positif). Jika didoping dengan fosfor maka yang dipeoleh adalah semikonduktor
tipe-n (bahan yang kelebihan electron, sehingga bersifat negatif). Ge mempunyai
daya hantar lebih tinggi dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas
dibanding Ge.
A. Hukum Ohm
Salah satu karakteristik listrik yang paling penting dari bahan padat
adalah kemudahan dalam mentransmisikan arus listrik. Hukum Ohm berkaitan
dengan arus I-atau rata-rata waktu lintasan pengisian muatan pada aplikasi voltage
V :
V=I⋅R
dimana I adalah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam
(ampere), V adalah tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung penghantar
(volt), dan R adalah nilai hambatan listrik yang terdapat pada suatu penghantar
(ohm).
Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang
mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda
potensial yang diterapkan kepadanya, atau juga menyatakan bahwa besar arus
yang mengalir pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda
potensial antara kedua ujung-ujung konduktor.
Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila
nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial
yang dikenakan kepadanya.
Fungsi utama hukum Ohm adalah digunakan untuk mengetahui
hubungan tegangan dan kuat arus serta dapat digunakan untuk menentukan suatu
hambatan beban listrik tanpa menggunakan Ohmmeter. Kesimpulan akhir hukum
Ohm adalah semakin besar sumber tegangan maka semakin besar arus yang
dihasilkan.
Resistivitas (ρ) merupakan karakteristik dari suatu jenis bahan atau
material, besar resistivitas untuk bahan-bahan isotropik dapat dirumuskan
sebagai :
ρ=Ej ,
dimana E merupakan besar medan listrik dan j merupakan besar rapat arus. Jika
kita meninjau sebuah penghantar silinder, yang luas penampangnya A dan
panjangnya l, mengangkut sebuah arus i yang tetap. Jika dihubungkan beda
potensial V di antara ujung-ujung panghantar tersebut (anggap permukaan
penghantar merupakan ekipotensial), maka medan listrik dan rapat arus akan
konstan untuk semua titik di dalam silinder, sehingga dapat diperoleh persamaan :
E=Vl dan
j= iA .
Sehingga nilai resistivitas dirumuskan sebagai :
ρ=
Vl
iA
=V⋅Ai⋅l
,
karena V/i merupakan besaran hambaran (R), maka :
ρ=RAl
=Ω⋅m2
m=Ωm
B. Konduktivitas Listrik
Setiap bahan memilki nilai konduktivitas dan resistivitas yang berbeda-
beda. Koduktivitas listrik merupakan suatu besaran yang menyatakan kemampuan
sutau bahan untuk dapat menghantarkan arus listrik. Besarnya merupakan resiprok
dari resistivitas bahan, dimana resistivitas sebagaimana yang telah dijelaskan
diatas merupakan kemampuan suatu bahan untuk dapat menahan arus listrik.
Besar konduktivitas bahan dirumuskan sebagai :
σ=1ρ=Ω−1⋅m−1=(Ωm )−1
Konduktivitas listrik suatu bahan mempengaruhi jenis kelistrikan bahan
tersebut. Semakin besar nilai konduktivitas suatu bahan, maka bahan tersebut
semakin bersifat konduktor. Dan sebaliknya semakin kecil nilai konduktivitas
suatu bahan, maka bahan tersebut semakin bersifat isolator.
Berdasarkan hukum Ohm juga dapat ditentukan hubungan antara rapat
arus, konduktivitas bahan dan medan listrik :
J=σ⋅E
dan untuk menentukan intensitas medan listrik, dapat digunakan perumusan
berikut :
Berikut beberapa contoh nilai konduktivitas bahan :
Jenis Bahan Resistivitas Konduktivitas
Konduktor Tembaga 10⁻⁶ Ωcm 10⁶ (Ωcm)⁻¹
Semikonduktor Silikon 50 x 10⁻³ Ωcm 0,02 x 10³ (Ωcm)⁻¹
Germanium 50 Ωcm 0,02 (Ωcm)⁻¹
Isolator Mika 10¹² Ωcm 10⁻¹² (Ωcm)⁻¹
Tabel 1. Nilai konduktivitas bahan
C. Konduktivitas Ionik
Ion merupakan unsur yang memiliki muatan. Konduktivitas ionik
merupakan kemampuan pergerakan suatu ion yang melalui kecacatan pada kisi
kristal padatan maupun larutan. Pada umumnya dalam padatan, ion bersifat tetap
pada kisi kristal (tidak bergerak). Akan tetapi jika temperatur dinaikkan, maka
konduktivitas ionik dapat terjadi.
D. Struktur Pita Energi di Dalam Zat Padat
Dalam fisika zat padat, struktur pita elektronik (atau secara
sederhana struktur pita) suatu padatan menggambarkan rentang energi yang
dibolehkan atau terlarang bagi sebuah elektron. Pita ini terbentuk
akibat difraksi gelombang kuantum elektron. Struktur pita elektronik ini
menentukan beberapa ciri bahan, terutama salah satunya yaitu sifat listriknya.
Elektron-elektron pada atom bebas mengisi orbital-orbital atom,
membentuk sekumpulan tingkat-tingkat energi yang diskrit. Bila beberapa atom
didekatkan bersama-sama dalam sebuah molekul, orbital atomik mereka terbelah.
Ini menghasilkan sejumlah orbital molekuler yang sebanding dengan jumlah atom.
Bila sejumlah besar atom (dalam orde 1020) digabungkankan bersama-sama
membentuk padatan, banyaknya orbital ini menjadi sangat besar, dan perbedaan
energi di antara mereka menjadi sangat kecil, sehingga tingkat-tingkat energi ini
dapat dianggap membentuk pita energi kontinu, bukannya tingkat energi diskrit
E=Vl
seperti yang dijumpai atom bebas. Namun beberapa selang energi tidak memiliki
orbital, berapa pun banyaknya atom yang bergabung. Ini membentuk celah pita
Dalam pita energi, tingkat energi begitu banyaknya sehingga membentuk
kesinambungan. Pertama, selisih antara tingkat energi dalam padatan dapat
dibandingkan dengan energi yang terus-menerus dipertukarkan
dengan fonon (vibrasi atom). Kedua, selisih tersebut sebanding dengan
ketidakpastian energi akibat prinsip ketidakpastian Heisenberg, untuk jangka
waktu yang cukup panjang. Akibatnya, selisih antara tingkat-tingkat energi ini
dapat diabaikan.
Ketiga jenis bahan yang diglongkan berdasarkan sifat kelistrikannya,
seperti yang telah dijelaskan di atas, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor,
dibedakan juga oleh perbedaan celah energi atau energi gap dari masing-masing
bahan. Energi gap adalah sela antara pita konduksi dan pita valensi.
Gambar 1. Struktur pita energi
Elektron dari pita valensi harus mempunyai energi minimum sebesar energi gap
untuk sampai ke pita konduksi. Gambar di atas memperlihatkan besar energi gap
dari masing-masing bahan. Tampak bahwa isolator mempunyai energi gap yang
paling besar sehingga electron pada pita valensi sangat sulit untuk berpindah ke
pita konduksi. Pada konduktor celah energi atau energi gap sangat kecil bahkan
pada beberapa logam, pita konduksi dan pita valensi saling over laping sehingga
bisa dikatakan tidak terdapat energi gap. Untuk bahan semikonduktor, energi gap
dapat berubah sesuai suhunya. Celah energi pada semikonduktor semakin kecil
apabila dipanaskan (suhunya dinaikkan), dan sebaliknya.
E. Mobilitas Elektron
Saat medan listrik diaplikasikan, elektron bebas dari suatu atom akan
mengalami percepatan. Percepatan ini terjadi sepanjang aplikasi dari medan listrik
tersebut, sehingga mengakibatkan meningkatnya nilai arus dalam setiap waktu.
Di samping itu, pergerakan elektron juga mengalami gaya gesek yang disebabkan
oleh hamburan elektron karena melewati ketidakmurnian kisi kristal, seperti cacat
kristal. Gerakan bersih (net motion) dari elektron yang arahnya berlawanan medan
disebut dengan arus listrik.
Terjadinya fenomena hamburan dapat ditunjukkan oleh hambatan yang
terjadi pada arus listrik. Beberapa parameter lain juga digunakan untuk
membuktikan adanya peristiwa hamburan ini, termasuk drift velocity dan
mobilitas elektron.
vd=E⋅μe
Drift velocity (vd) merupakan kecepatan rata-rata elektron pada arah
medan yang berlaku, dimana nilainya sebanding dengan medan listrik E. Dan μe
disebut dengan mobilitas elektron, yang menandakan dari frekuensi
penghamburan.
F. Semikonduktor
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang
berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai
isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur tinggi
bersifat sebagai konduktor. Bahan semi konduktor yang sering digunakan adalah
silikon, germanium, dan galium arsenide. Semikonduktor dapat diatur sedemikian
rupa sehingga dapat bersifat sebagai konduktor dan dapat pula bersifat sebagai
isolator. Pada suhu kamar, semikonduktor dapat bersifat sebagai penghantar arus
listrik. Semakin besar suhu, maka akan semakin bagus pula sifatnya sebagai bahan
konduktor. Hal ini disebabkan karena ketika suhu atau temperatur dinaikkan maka
jarak antar pita valensi dan pita konduksi (band gab) akan semakin kecil, sehingga
makin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.
a. Struktur Bahan Semi-konduktor
Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-
2730C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron
valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.
Nama Unsur Lingkar Orbit ( K L M N )Jumlah
Elektron
Elektron
Valensi
boron 2 3 5 3
alumunium 2 8 3 13 3
silikon 2 8 4 14 4
fosfor 2 8 5 15 5
galium 2 8 18 3 31 3
germanium 2 8 18 4 32 4
arsenikum 2 8 18 5 33 5
indium 2 8 18 18 3 49 3
antimon 2 8 18 18 5 51 5
barium 2 8 18 18 8 2 56 2
Tabel 2. Susunan elektron pada beberapa atom
Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling
banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak
digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi.
Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung ( indirect
bandgab ), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari
pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar
terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang
besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah
partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi
momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit
memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan
sebagai piranti fotonik / optoelektronik.
Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi
dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi
3, yaitu:P
1. Jalur Valensi (Pita Valensi)
Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan atom-atom yang
membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya
jika mendapat energi.
2. Jalur Konduksi ( Pita Konduksi )
Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena
pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron
dapat bebas menghantarkan listrik.
3. Jalur Larangan ( Pita Gab )
Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.
Energi yang dibutuhkan untuk dapat melewati jalur ini disebut sebagai
energi Gab (Eg), merupakan nilai yang membedakan apakah bahan itu
termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor. Satuan energi gab adalah
elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah
elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt
setara dengan 1,60 x 10-19 Joule.
b. Semikonduktor Instrinsik
Semikonduktor instrinsik adalah semikonduktor yang tidak disisipkan
atom-atom lain (atom pengotor). Semikonduktor jenis ini memiliki jumlah
elektron dan hole (pembawa muatan positif) yang sama. Konduktivitas
semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa
muatan hole maupun elektron bebas. Elektron valensi pada germanium lebih
mudah tereksitai termik menjadi elektron bebas dari pada elektron valensi pada
atom silikon, hal ini berhubungan dengan adanya pita pita energi untuk elektron
didalam kristal semikonduktor. Dalam atom bebas elektron hanya dapat
mempunyai nilai energi tertentu saja.
Dikatakan elektron hanya dapat berada pada tingkat energi tertentu
dalam kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak berdekatan didalam
susunan yang berkala, maka elektron dapat berada pada pita-pita energi .Oleh
adanya prinsip Larangan Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadan orbital atom
hanya dapat berisi dua buah elektron saja, maka untuk semikonduktor pita-pita
enrgi yang bawah akan terisi penuh hingga suatu pita energi tertentu. Oleh karena
setiap atom mempunyai empat buah elektron valensi, maka ada satu pita energi
yang terisi penuh dan pita energi berikutnya kosong.
c. Semikonduktor Ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan
sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis
semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua
macam, yaitu semikonduktor tipe-p (pembawa muatan hole) dan tipe-n (pembawa
muatan elektron). Semikonduktor intrinsik dapat diberi unsur tak murni tertentu
sesuai dengan karakteristik listrik yang dikehendaki.
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil
atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon
murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi
sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom
pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat
elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa
sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 2).
Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan
menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran
listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor
tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.
Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut
sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti
terlihat pada gambar 2.
Gambar 2. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n,
semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom
pengotor trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor
murni, misalnya silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga
elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan
kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi
kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif
dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 3) yang disebut lubang
(hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor
tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral.
Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut
sebagai atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p
digambarkan seperti terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga
menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi
semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.
Ilustrasi Semikonduktor intrinsik
Ilustrasi Semikonduktor ekstrinsik
Ketergantungan Temperature pada Konsentrasi Pembawa
Adapun Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pergerakan Pembawa, diantaranya :
1. Pengaruh kandungan dopant
2. Pengaruh suhu
G. Efek hall
Efek hall merupakan peristiwa perubahan arah muatan karena adanya medan
magnet. Efek hall digambarkan seperti berikut :
Perangkat Semikonduktor :
1. The p-n rectifying junction
2. Transistor
H. Konduksi Pada Keramik Ionik dan Polimer
1. Konduksi pada bahan ionik
kation dan anion dalam bahan ionik memiliki muatan listrik dan, sebagai
akibatnya,mampu migrasi atau difusi ketika sebuah medan listrik hadir. Dengan
demikian arus listrik akan dihasilkan dari gerakan bersih dari muatan ion,yang akan hadir
di samping karena saat ini untuk setiap gerak elektron. Tentu saja,anion dan kation
migrasi akan berada dalam arah yang berlawanan. Konduktivitas total bahan ionik sama
dengan jumlah dari kedua kontribusi elektronik dan ion.
2. Sifat Listrik pada Polimer
Bahan polimer yang telah disintesis yang memiliki konduktivitas listrik setara
dengan konduktor logam, disebut conducting polimer.
I. Perilaku Dielektrik
1. Kapasitansi
Ketika tegangan diterapkan di seluruh kapasitor, satu piring menjadi
bermuatan positif, yang lainnya bermuatan negatif, dengan medan listrik yang sesuai
diarahkan dari positif ke negatif. Kapasitansi C terkait dengan jumlah muatan disimpan
di kedua piring Q :
C=QV
C=∈0Al
C=∈ Al
2. Vektor Bidang dan Polarisasi
Pendekatan yang terbaik untuk penjelasan fenomena kapasitansi dengan
bantuan vektor bidang.
p=qd
Proses penyelarasan dipol disebut polarisasi.
Tipe-tipe Polarisasi ada 3 yaitu elektronik polarisasi, ionic polarisasi dan
Orientasi polarisasi, dimana ketiga macam polarisasi tersebut dijelaskan melalui gambar
berikut :
Adapun grafik ketergantugan frekuensi terhadap konstanta dielektrik sebagai
berikut :
3. Kekuatan Dielektrik
Kekuatan dielektrik, kadang-kadang disebut gangguan kekuatan, mewakili
besarnya medan listrik yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan.
4. Bahan Dielektrik