1

Nama : Nispi Hariyani

NIM : A1C410024

Kelas : 2010-A

Dosen Pembimbing : Drs. H. M. Arifuddin Jamal, M. Pd

Tugas : Fisika Modern (AKKC453)

RISUMAN

FISIKA ZAT PADAT

A. PENDAHULUAN

Zat padat terdiri dari sejumlah besar atom-atom, ion-ion atau molekul-

molekul yang letaknya berdekatan dan tersusun secara teratur. Atom-atom atau

molekul-molekul yang membentuk zat padat ini terikat dalam beberapa macam

ikatan antara lain: ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan Van der Waals, ikatan

Hidrogen, dan ikatan logam.

Ikatan pada zat padat berbeda dengan ikatan molekul. Ikatan molekul akan

membentuk molekul. Ikatan zat padat akan

membentuk zat padat. Gb. 1a melukiskan ikatan ionik

Na+ dan Cl

- yang membentuk NaCl. Gb. 1b

melukiskan ikatan ionik pada garam dapur (kumpulan

jutaan molekul NaCl). Ikatan ini terjadi akibat

tarikan dan tolakan antara semua ion dalam zat padat

ini.

B. KRISTAL DAN AMORF

Molekul-molekul ada yang tersusun secara berulang dan teratur

membentuk suatu rantai panjang dalam 3 dimensi. Susunan molekul yang seperti

ini disebut dengan kristal.

Na+ Cl-

Gambar 1. Ikatan NaCl

(a) (b)

2

Na+

Cl-

Molekul-molekul lain ada yang tersusun dengan keteraturan yang pendek.

Susunan seperti ini dinamakan amorf (amorphous= tak berbentuk).

Contoh amorf adalah: gelas, ter dan plastik. Sedangkan contoh kristal

banyak sekali, hampir setiap benda yang Anda temukan tiap hari dapat

digolongkan sebagai kristal. Kristal dapat diumpamakan sebagai susunan batu-

bata, sedangkan amorf seperti tumpukan batu-bata.

C. CACAT KRISTAL

Kristal ideal adalah kristal yang atom-atomnya memiliki tempat

kesetimbangan tertentu pada kisi yang teratur, namun kristal yang sebenarnya

menyimpang jauh dari spesifikasi seperti itu. Cacat dalam kristal dapat disebabkan

oleh kehilangan atom, atom yang tidak pada tempatnya, kehadiran atom asing,

dan sebagainya. Hal-hal tersebut akan sangat berpengaruh pada sifat fisis kristal

tersebut. Jadi kelakuan zat padat yang mengalami tekanan sebagian besar

ditentukan oleh sifat dan konsentrasi cacat dalam strukturnya, seperti juga sifat

dalam semi konduktor.

Kategori tersederhana dari cacat kristal ialah cacat titik. Gambar 2

menunjukkan empat jenis dasar cacat titik: (a) kekosongan (vakansi), (b)

interstial, (c) ketakmurnian substitusional, dan (d) ketakmurnian interstisial.

Gambar 2. Cacat titik dalam sebuah kristal

D. KRISTAL IONIK

Kristal ionik terjadi akibat ikatan ionik

antara ion-ion dalam zat padat itu. Ikatan ionik

terjadi karena gaya tarik antara ion positif dan

ion negatif. Pada Kristal ionik tiap ion

dikelilingi ion-ion lain, misalnya pada Kristal

NaCl, ion-ion Na+ dikelilingi oleh 6 ion Cl

-,

tetangga berikutnya adalah 12 ion Na+ seperti

tampak pada gambar 3.

Gambar 3.

L

L

L

L

L L L

L L

L L L

LLL

L

L

L

L

L L L

L L

L L L

LLL

LL

L

L

L

L

L L L

L L

L L L

LLL

L

L

L

L

L

L L L

L L

L L L

LLL

LL

(a) (b) (c) (d)

3

Susunan kristal seperti pada gambar 3 sering digambarkan dalam bentuk

seperti pada gambar 1b. Susunan kristal seperti ini dinamakan kristal fcc (face-

centered cubic) yang artinya di pusat tiap bidang permukaan kubus terdapat

terdapat ion atau atom.

Contoh lain kristal ionik adalah kristal CsCl. Pada kristal ini ion Cs+

dikelilingi oleh 8 ion. Susunan kristalnya digambarkan pada gambar 4b, tetapi

sering pula digambarkan seperti gambar 4a. Susunan kristal seperti ini dinamakan

kristal bcc (body-centered cubik) yang artinya di pusat kubus terdapat ion atau

atom.

Gambar 4. Kristal bcc

Kristal fcc mempunyai kerapatan (banyaknya atom persatuan volume)

lebih besar dibandingkan kristal bcc. Itulah sebabnya struktur fcc lebih stabil.

Pada beberapa zat padat, susunan fcc dapat berubah menjadi bcc melalui

perubahan suhu.

Energi Kohesif

Pada kristal ionik, ion-ion terikat satu sama lain oleh gaya kohesi, energi

yang disebabkannya disebut energi kohesif. Energi kohesif didefinisikan sebagai

energi rata-rata untuk mengikat atom-atom dalam suatu kristal (zat padat).

Kontribusi terbesar energi kohesif ini berasal dari energi potensial listrik antara

ion-ion pembentuk kristal ini (Ep atau Vcoulomb). Energi kohesif dinyatakan dalam

elektron volt per atom (eV/atom).

Contoh, hitung berapa energi kohesif NaCl?. Pertama adalah mencari

besar energi potensial listrik yang dimiliki oleh suatu ion Na+. ion ini dikelilingi

oleh 6 ion Cl-. Anggap jarak ion Na

+ dan Cl

- adalah r. Energi potensial Na

+ akibat

6 ion Cl- tetangga terdekatnya adalah:

…*

Selanjutnya perhatikan tetangga ion terdekatnya yaitu 12 ion Na+ (gambar 1b).

jarak ion Na+ pusat dengan ion Na

+ tetangganya ini adalah √ (diagonal bujur

(a)

(b)

4

sangkar bersisi r adalah √ ). Energi potensial akibat ke 12 ion Na+ adalah

(perhatikan tandanya)

√ …**

+ kontribusi ion-ion lain akan menghasilkan:

(

√ )

…***

Pers *** inilah energi potensial listrik yang dimilki oleh satu ion Na+, hasil ini

sering ditulis dalam bentuk umum:

… 1

dinamakan konstanta Madelung (untuk menghormati E.o Madelung). Nilai

konstanta ini tergantung pada bentuk kristal. Pada kristal fcc seperti NaCl

=1,748. Pada kristal bcc seperti CsCl, =1,763.

Kontribusi lain pada energi kohesif adalah gaya tolak akibat prinsip

eksklusi. Prinsip ini hanya membolehkan 2 elektron pada 1 sub kulit. Dalam

kristal banyak atom yang berdekatan. Sub kulit dari atom akan saling bertindihan.

Akibatnya elektron dalam sub kulit ini akan saling tolak dan pindah (tereksitasi)

pada tingkat energi yang lebih tinggi. Besarnya gaya tolak ini dapat dinyatakan

dengan rumus pendekatan berikut:

… 2

Dengan B dan n merupakan suatu konstanta yang dapat diperoleh dari

eksperimen. Perhatikan tandanya yang positif yang menunjukkan keadaan saling

tolak. Jadi energi total pada satu ion akibat interaksi muatan di dalamnya adalah:

… 3

Ketika r = ro, energi totalnya minimum. Pada keadaan ini ion berada pada

keadaan seimbang. Menurut teori differensial suatu fungsi akan minimum jika

turunan pertamanya nol.

(

)

5

Substitusi B ke persamaan 3, diperoleh:

(

) … 4

n diperoleh dari eksperimen.untuk NaCl n mempunyai rentang antara 8-10.

Rentang ini tidak akan banyak mempengaruhi nilai energi kohesif.

Jika kita ambil n≈ 8 dan ro≈ 0,281 nm, kita akan peroleh energi potensial

listrik kristal NaCl seimbang adalah:

(

)

( )( )

( )(

)

Jika ada N ion Na+ di dalam NaCl maka besarnya energi total untuk menguraikan

NaCl menjadi ion-ionnya adalah Vo = -NV/2. Jadi energi rata-rata untuk

memisahkan satu ion Na+ dari kristal NaCl adalah Vo/N = -V/2. Adapun energi

rata-rata untuk mengikat ion Na+ adalah +V/2 yang besarnya adalah -3,92 eV.

Energi kohesif lainnya dikontribusikan oleh energi transfer pembentukan

ion Na+

dan Cl- dari atom netral Na dan Cl. Energi transfer ini adalah energi

ionisasi Na (+5,14eV) + afinitas elektron Cl (-3,61eV) = +1,53eV. Karena ada dua

atom maka setiap atomnya berkontribusi pada energi kohesif sebesar +0,77eV.

Kesimpulannya, energi kohesif kristal NaCl adalah Ekohesif = -3,92 + 0,77 = -

3,15eV.

Sifat Kristal Ionik

Kristal ionik mempunyai sifat-sifat berikut:

Kristalnya keras dan stabil.

Merupakan konduktor yang buruk karena tidak ada elektron yang bebas.

Suhu penguapannya tinggi.

Tidak tembus cahaya, karena kristal ini akan menyerap cahaya tersebut.

Mudah larut dalam cairan polar seperti air, karena air memiliki momen dipol

listrik permanen yang dapat menarik ion-ion bermuatan. Gaya tarik ini dapat

memecah ikatan ionik dan melarutkan zat ini.

Menyerap radiasi infra merah. Jika ikatan ion-ion dalam molekul dianggap

sebagai pegas, maka besar konstanta pegas untuk molekul NaCl ditemukan

sebesar 127 N/m. Frekuensi getar ion Na+ adalah (ambil massa Na = 23u):

6

(

)√

(

)√

, frekuensi ini berada

pada daerah infra merah. Jadi jika sinar infra merah melewati kristal maka

sinar ini akan diserap oleh ion, mengakibatkan ion bergetar.

E. KRISTAL KOVALEN

Kristal kovalen terjadi karena ikatan kovalen antar atom-atom. Ikatan ini

terjadi kerena adanya pemakaian bersama elektron-elektron dari atom-atom yang

bersangkutan.

Contoh ikatan kovalen pada kristal adalah intan. Pada intan satu atom

karbon akan berikatan kovalen dengan 4 atom karbon lainnya dalam bentuk

tetrahedral seperti ditunjukkan gambar 5.

Gambar 5. Ikatan kovalen pada intan

Karbon mempunyai konfigurasi elektronik 1s2 2s

2 2p

2. Atom ini membutuhkan 4

elektron agar kulitnya penuh (2p6). Keempat elektron ini diperoleh dari pemberian

(pemakaian bersama) 4 atom karbon lainnya. Itulah sebabnya ikatan antara karbon

dengan karbon lain dalam kristal intan adalah ikatan kovalen.

Kristal lain yang mempunyai struktur sama dengan sruktur intan adalah

germanium, silikon, dan silikon karbid (SiC)

Sifat-sifat Kristal Kovalen

Tidak larut dalam zat cair biasa.

Penghantar yang buruk.

Tembus cahaya.

Beberapa kristal kovalen sangat keras (intan), SiC karena kerasnya banyak

digunakan untuk ampelas. Kerasnya kristal kovalen disebabkan karena besarnya

energi kohesifnya.

Untuk sebagian kristal, titik lelehnya sangat tinggi (misalnya intan mencapai

4000K). tetapi ada juga yang titik lelehnya lebih kecil dari titik leleh kristal ionik.

Titik leleh yang tinggi terjadi karena ikatan yang sangat kuat.

F. IKATAN HIDROGEN

Ikatan Hidrogen (H) mempunyai hanya 1 elektron sehingga diharapkan ia

akan berikatan kovalen dengan semua atom.

7

Dalam molekul H2O, ikatan kovalen antara 2 atom H dan 1 atom oksigen

bukan ikatan kovalen murni, elektron bersamanya lebih ditarik ke arah atom O,

sehingga terjadilah suatu dipol listrik (atom H lebih positif dan atom O lebih

negatif seperti pada gambar 6)

Gambar 6. Ikatan hidrogen

Atom H yang lebih bermuatan positif dapat mengikat atom O dari molekul

H2O yang lain, sehingga terbentuk suatu rantai. Jadi di sini atom H seolah menjadi

perekat antara satu moleku H2O dengan molekul H2O yang lain. Ikatan di mana H

bertindak sebagai “perekat” ini dinamakan ikatan Hidrogen.

Ikatan Hidrogen lebih lemah dibandingkan dengan ikatan ionik ataupun

ikatan kovalen. Kuat ikatannya berkisar 0,1eV sampai 0,5eV per ikatan.

Dalam suhu kamar atom-atom H dan O dalam air bergetar cukup cepat.

Gerakan atom-atom ini mampu memecahkan ikatan hidrogen yang lemah ini.

Namun biasanya ikatan ini dapat mudah tersambung lagi dengan molekul H2O

yang lain yang letaknya relatif lebih dekat dari lokasi semula.

Molekul C2H6O dapat membentukdua bentuk diametil eter (CH3)2O dan

etil alkohol CH3CH2OH. Atom H yang berikatan (ikatan hidrogen) dengan O pada

etil alkohol yang satu dapat berikatan dengan O pada etil alkohol yang lain. Itu

sebabnya etil alkohol memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan

diametil eter.

Walaupun ikatan hidrogen ini sangat lemah namun ia bisa membentuk

rantai molekul yang panjang sekali seperti pada HCN, NH4F, maupun pada rantai

molekul-molekul biologi.

G. IKATAN VAN DER WAALS

Atom Helium mempunyai 2 elektron pada kulit 1s. awan-awan elektron ini

berbentuk simetris, sehingga atom ini tampak seperti sebuah inti bermuatan +2e

dikelilingi oleh awan elektron -2e (gambar 7) dengan jari –jari 0,1nm. Karena

molekul ini tidak membentuk suatu dipol permanen, maka momen dipol ini adalah

nol.

Pada gambar 8 tampak bahwa elektron dan inti atom Helium terpisah. Di

sini seolah-olah terbentuk suatu dipol (hanya sesaat). Pada keadaan ini inti atom

O

+H

+H

_ +

r

-qefektif +qefektif

8

helium dapat mempengaruhi tetangganya.

Bagian positif atom (dipol sesaat) ini dapat

mempengaruhi elektron dari atom

tetangganya sehingga atom tetangganya

terpolarisasi (menjadi dipol sesaat juga).

Akibatnya dua atom ini akan saling tarik

menarik melalui gaya antar dipol (gambar

9)

Pada saat lain posisi elektron sudah

berubah lagi, namun atom-atom ini selalu

membentuk dipol sesaat sehingga mereka

selalu dapat berikatan dengan atom-atom

tetangganya. Ikatan yang terjadi antara

antara dipol sesaat ini dinamakan ikatan

Van der Waals. Sedang gaya tarik antara

dipol sesaat ini dinamakan gaya Van der

Waals.

Gaya Van der Waals banyak terjadi

pada zat padat yang berasal dari gas mulia

(Argon padat), gas halogen seperti

Hidrogen padat (H2 padat), Oksigen padan

(O2), Nitrogen padat (N2) atau bentuk

padat dari gas CH4 dan GeCl4.

Gaya Vann der Waals sangat lemah

dibandingkan gaya pada ikatan kovalen

maupun ionik. Energi kohesifnyasekitar 0,08eV/atom dalam Argon padat,

0,01eV/molekul dalam H2 dan 0,1eV/molekul dalam metana padat CH4.

Lemahnya ikatan Van der Waals menyebabkan gas-gas mulia menguap

pada suhu yang sangat rendah. Titik leleh Helium, Neon, dan Argon padat adalah

-272,2oC, -248,7

oC, dan 189,2

oC.

H. IKATAN LOGAM

Setiap logam mempunyai

elektron valensi (elektron terluar)

yang sangat mudah bergerak. Elektron

valensi ini mudah berpindah dari satu

atom ke atom lain. Setiap elektron

valensi merupakan milik bersama

→ awan elektron

2e

Gambar 7.

+2e

Gambar 8.

-e -e

+2e

Gambar 9.

-e -

e

+2e

-e

-e +2e -e -

e

Gambar 10.

9

seluruh atom dalam logam ini. Gambar 10 melukiskan ion positif logam (bulatan

hitam) dan elektron berwarna (warna putih). Elektron-elektron valensi dilukiskan

sebagai gas elekron yang membungkus ion-ion positif untuk menunjukkan bahwa

elektron-elektron ini dipakai bersama-sama oleh semua atom.

Gas elektron ini bertindak sebagai “perekat” yang mengikat ion-ion positif

yang membentuk suati kristal logam. Ikatan oleh gas elektron ini dinamakan

ikatan logam.

Gas elektron ini umumnya berbentuk fcc atau bcc. Tetapi ada juga yang

berbentuk hcp (hexagonal close packed) yang maksudnya berbentuk heksagonal

terpadatkan rapat.

Cahaya yang datang pada logam akan diserap oleh elektron-elektron

logam sehingga cahaya tidak bisa menembus logam. Cahaya yang diserap ini

kemudian dipancarkan kembali sehingga logam tampak bercahaya (mengkilap).

Logam yang memiliki sifat hantaran (konduktivitas) yang baik, hal ini

disebabkan karena adanya gas elektron yang mudah bergerak dari satu atom ke

atom lainnya.

Ketika logam cair A dicampur logam cair B, elektron kedua logam akan

bercampur. Elektron dari kedua logam bertindak sebegai perekat kedua logam itu.

Setelah logam didinginkan diperoleh senyawa baru yang terdiri dari campuran

logam A dan B. komposisi logam A dan logam B akan mempengaruhi sifat

senyawa campuran ini. Adapun energi kohesif logam adaah sekitar 1-3eV.

I. TEORI PITA ZAT PADAT

Atom Natrium mempunyai nomor atom 11. Atom ini mempunyai 1

elektron valensi yang menempati kulit 3s. Energinya sama dengan energi kulit 3s

yaitu E3s. Ketika 2 atom Natrium A dan B didekatkan, elektron valensi keduanya

akan saling berinteraksi. Elektron valensi A ini juga dapat berinteraksi dengan ion

positif atom B. Akibatnya energi elektron valensi tidak lagi sama E3s.

Menurut persamaan yang diturunkan oleh Schrodinger, elektron ini

mempunyai 2 nilai energi yang mungkin, seperti dilukiskan dalam gambar 11.

Pada gambar ini tampak ketika jarak antara kedua atom r1 energi elektron

valensinya E3s. tetapi ketika jarak keduanya r2 ada dua kemungkinan energi

elektron: E1 dan E2.

Jika 5 atom Natrium didekatkan, maka energi elektron valensi tiap atom

pecah menjadi 5. Artinya elektron memiliki 5 nilai energi yang mungkin. Maka

10

jarak antara satu tingkat energi dengan tingkat energi yang lain akan semakin

dekat dibanding yang cuma 2 atom.

Jika ada 1022

atom (misalnya pada sekeping logam), jumlah tingkat energi

menjadi sangat banyak. Jarak antara satu tingkat energi dengan tingkat energi lain

sangat dekat (hampir berimpit) membentuk semacam pita energi seperti tampak

pada gambar 12.

Gambar 11. Pemisahan dua tingkat 3s Gambar 12. Pembentukan pita 3s

jika dua buah atom didekatkan oleh gabungan atom yang banyak sekali

jumlahnya

Pita energi pada gambar 12 dinamakan pita 3s karena pita ini berasal dari

tingkat 3s atom natrium. Di samping pita 3s. logam Natrium mempunyai pita 1s,

2s, dan 2p yang masing-masing berisi penuh elektron.

Tiap tingkat energi suatu atom dapat ditempati 2(2l+1) elektron. Misalnya

kulit 1s dapat ditempati 2(2 0+1) elektron = 2 elektron. Jika ada N atom yang

berdekatan, maka tingkat energi akan terpecah (membentuk suatu pita energi jika

N sangat besar). Tiap pita energi menampung N dikalikan daya tampung tiap kulit

yaitu 2(2l+1) N elektron.

Karena kulit 1s, kulit 2s, dan kulit 2p tiap atom Na terisi penuh oleh

elektron, maka pita 1s, pita 2s, dan pita 2p disebut dengan pita penuh. Pita 3s

hanya terisi N elektron dari maksimum 2N. Pita ini dinamakan pita setengah

penuh. Pita 3p kosong (walaupun mempunyai kemampuan menampung 6N

elektron. Jarak antara 1 pita dengan pita lain dinamakan jurang energi.

J. KONDUKTIVITAS ZAT PADAT

Logam dikenal sebagai suatu zat yang mempunyai konduktivitas sangat

baik (dapat menghantar listrik dengan baik). Sifat konduktivitas ini dapat

dijelaskan dengan teori pita zat padat.

11

Ketika sebatang logam dihubungkan dengan suatu rangkaian listrik.

Lampu pada rangkaian menyala. Mengalirnya arus disebabkan adanya liran

elektron yang bergerak melalui rangkaian dan melewati logam. Tinjau elektron di

tingkat s1. Di atom A. ketika logam diberi potensial, elektron ini akan menyerap

energi dan bergerak dipercepatke kutub positif melewati atom-atom lain. Saat

melewati itu, elektron akan menempati tingkat energi yang lebih tinggi, yaitu s2,

s3, s4, s5, dst.

Pada bahan non-logam elektron tidak dengan mudah bergerak. Sehingga

menyebabkannya tidak dapat menghantar listrik dengan baik. Bahan seperti ini

disebut isolator. Jika bahan isolator dihubungkan dengan tegangan listrik yang

tidak terlalu besar. Elektron-elektron pada pita valensi mencoba naik ke pita

konduksi (pita konduksi: pita kosong di atas pita valensi di mana elektron dapat

bergerak dipercepat ketika diberi potensial listrik). Namun karena energi yang

diterimanya tidak cukup besar untuk melewati jurang energi (≈10eV) maka

elektron ini tidak bisa menyerap energi ini. Akibatnya elektron-elektron ini tetap

pada tempat semula (arus tidak mengalir).

Untuk bahan yang jurang energinya tidak terlalu besar (1-3eV)

konduktivitasnya antara isolator dan konduktor. Bahan seperti ini dinamakan

semikonduktor. Karena jurang energi antara pita valensi dengan pita konduksi

tidak terlalu lebar, sejumlah elektron ini dapat tereksitasi dari pita valensi ke pita

konduksi jika suhunya dinaikkan cukup tinggi (sekitar 300K atau lebih). Setelah

tiba di pita konduksi, elektron akan berkelakuan seperti elektron pada konduktor.

Elektron meninggalkan “pos”nya menuju kutub positif, tempatnya

sekarang kosong. Tempat kosong ini dinamakan lubang atau hole. Lubang akan

diisi oleh elektron tetangganya. Tempat yang ditinggalkan oleh elektron tetangga

itu juga kan ditempati oleh elektron lain. Terlihat bahwa elektron bergerak ke satu

arah dan lubang bergerak ke arah lain.

Pada semikonduktor ini jumlah lubang yang terbentuk setiap saat sama

dengan jumlah elekron yang mengalir. Semikonduktor seperti ini (Nelektron=Nhole)

dinamakan semikonduktor intrisik. Ketika semikonduktor intrisik dikotori atom-

atom yang tidak sejenis dengan atom-atomnya, struktur pita dan konduktivitasnya

akan berubah, yaitu harus ditambah satu tingkat energi yang ditempati oleh

elektron ekstra. Tingkat energi ini digambarkan dekat sekali dengan pita

konduksi.

Semikonduktor yang telah dikototori (tidak murni) dinamakan

semikonduktor ekstrinsik. Di mana memiliki jumlah elekron yang tidak sama

dengan jumlah lubang. Contoh, pada Si yang dikotori As, jumlah elektron lebih

12

besar dibandingkan jumlah lubang (Nelektron>Nhole). Semikonduktor jenis ini

dinamakan semikonduktor tipe-n. adapun jenis yang sebaliknya dinamakan

semikonduktor tipe-p, yaitu jumlah elektron lebih kecil dibandingkan jumlah

lubang (Nelektron<Nhole).

K. PIRANTI SEMIKONDUKTOR

1. Sambungan p-n

Jika semikonduktor

tipe-p disambungkan dengan tipe-

n, elektron dari tipe-n menembus

daerah perbatasan (berdifusi

akibat perbedaan konsentrasi).

Elektron ini akan mengisi hole

pada tipe-p. Akibatnya di sekitar daerah perbatasan timbul medan listrik.

Arah medan listrik ditunjukkan oleh gambar 14. Medan listrik makin lama

makin besar. Suatu ketika medan ini cukup besar untuk menghambat gerakan

elektron yang berdifusi. Keadaan pada waktu ini dinamakan keadaan

seimbang. Pada keadaan seimbang terlihat suatu daerah di mana muatan

negatif dan muatan positif terpisah. Daerah ini dinamakan lapisan deplesi.

Tebal lapisan ini beberapa mikron (mikrometer). Medan listrik yang timbul di

daerah deplesi sekitar 104-10

6 V/cm.

Jika sambungan p-n dihubungkan pada tegangan (kutub positif pada

tipe-p, dan kutub negatif pada tipe-n). maka tegangan mnyebabkan elektron

pada tipe-n akan ditarik ke tipe-p sehingga mengalirlah arus listrik dalam

rangkaian. Semakin besar tegangan menyebabkan semakin besar arus.

Tegangan yang menyebabkan arus naik terus dinamakan tegangan maju atau

bias maju (forward bias).

Jika sambungan ke tegangan di balik, maka tegangan memaksa

elektron pada tipe-n meninggalkan tanpa melewati tipe-p. akibatnya daerah

deplesinya (medan listrik deplesinya) makin besar. Medan listrik

menghambat mengalirnya arus yang pada rangkaian. Walaupun tegangannya

diperbesar, namun arus yang mengalir pada rangkaian tetap sangat kecil.

Tegangan yang diberikan itu dinamakan tegangan mundur (bias mundur).

Jika tegangan mundur diperbesar terus menerus. Suatu saat arus mundurnya

bertambah secara tajam. Dalam keadaan ini kita katakan sambungan p-n

bocor. Potensial pada keadaan ini dinamakan potensial rusak (breakdown

potensial).

Karena sifatnya ini, sambungan p-n dimanfaatkan sebagai dioda (alat

untuk membuat arus mengalir pada satu arah saja)

Gambar 13.

13

Cara Membuat Sambungan p-n

Ada beberapa cara untuk menyambung tipe-p

dan tipe-n, yaitu:

a. Cara melebur, yaitu dengan meletakkan lempeng

kecil Indium di atas semikonduktor tipe-n

(misalnya campuran Ge dan As). Sistem lalu

dipanaskan hingga 150oC dimana Indium akan

melebur. Indium akan melarutkan Ge yang ada di

bawahnya. Sistem lalu didinginkan sehingga

terbentuk tipe-p (In+Ge) yang terbungkus

semikonduktor tipe-n.

b. Cara penumbuhan kristal. Pertama semikonduktor tipe-n dileburkan dan

ketika akan mengkristal, sejumlah tipe-p dimasukkan dalam leburan,

setelah pengkristalan terjadi maka telah didapatkan sambungan p-n.

2. Transistor

Transistor ditemukan oleh Jhon Baarden, Walter Brattain dan Wiliam

Shockley (1948). Sebuah transistor terdiri atas suatu tipe semikonduktoryang

disisipkan di antara dua tipe lain semikonduktor. Misalnya transistor npn

terdiri dari sebuah tipe-p tipis yang disisipkan di antara dua tipe-n. Contoh

lain adalah transistor tipe pnp dimana sebuah tipe-n disisipkan diantara dua

tipe-p.

Pada transistor terdapat tiga terminal yang diberi nama basis (B),

kolektor (C), dan emiter (E) seperti ditunjukkan oleh gambar 16. Transistor

npn dan pnp dibedakan oleh tanda panah yang berhubungan dengan emiter

(ke arah luar untuk npn, dan arah ke masuk untuk pnp).

Emitter terbuat dari semikonduktor yang atom pengotornya sangat

banyak sehingga mampu menginjeksikan sejumlah besar elektron atau lubang

ke basis/ kolektor

Gambar 14.

Simbol dioda

pada rangkaian

listrik

Gambar 15. Transistor tipe pnp dan npn

14

Basis sangat tipis dan atom pengotornya sangat sedikit.

Kolektor mempunyai atom pengotor cukup banyak tetapi tidak

sebanyak yang ada di emitter. Kolektor bertugas untuk mengumpulkan

elektron atau hole yang dilepas oleh emitter.

Sambungan emiter-basis selalu dihubungkan dengan bias maju,

sedangkan sambungan basis-kolektor dengan bias mundur.

Cara kerja transistor tipe npn dan pnp boleh dibayangkan sebagai

dioda berlawanan, ketika diberi tegangan bias maju VBE elektron mengalir

dari emiter ke basis. Begitu elektron melewati basis ia akan menghadapi

potensial positif dari kolektor. Karena basis sangat tipis, maka sebagian besar

elektron bergerak ke arah kolektor. Membentuk arus kolektor Ic, hanya

sejumlah kecil elektron dikumpulkan basis membentuk arus Ib.

Ib + Ic = Ie

Karena Ib sangat kecil menyebabkan sering diabaikan saja. Namun

meskipun arus yang melalui B sangat kecil, arus ini dapat merubah arus

kolektor secara signifikan. Transistor bermanfaat sebagai penguat (amplifier)

dan juga sebagai saklar dengan memanfaatkan sifat sambungan p-n pada B,

C, dan E.

Rangkaian Transistor

Dalam berbagai rangkaian yang memiliki transistor, transistor dapat

dihubungkan dengan tiga cara:

a. Common Emitter (CE): yang berarti terminal emitter digunakan

bersama-sama sebagai input dan output. Dengan basis sebagai input dan

kolektor sebagai output.

b. Common Base (CB): konfigurasi transistor yang menggunakan kaki basis

sebagai input dan output.

c. Common Collector (CC): konfigurasi transistor yang menggunakan kaki

kolektor sebagai input dan output.

15

3. Integrated Circuit (IC) Integrated Circuit (IC) atau rangkaian terpadu ditemukan oleh Jack

Kilby dari Texas Instrumens pada 1958, dan oleh Robert Noyce dari Fairchild

Camera and Instrument pada permulaan 1959. Rangkaian terpadu ini

merupakan rangkaian yang terdiri dari banyak sekali transistor, diode,

hambatan, kapasitor, dan komponen lainnya pada sekeping silicon. Hebatnya,

ribuan komponen ini dapat ditempatkan dalam daerah seluas 1cm2.

Tanpa IC sulit dibayangkan bagaimana riwetnya mengatur ribuan

kabel-kabel listrik untuk menghubungkan komponen yang banyak ini. IC juga

menolong mempercepat respon alat-alat. Dengan hubungan yang lebih

singkat, hubungan antara satu komponen dengan komponen lain tentunya pasti

akan lebih cepat.

Sekarang ini IC sudah dipakai di

mana-mana, seperti computer, jam,

kamera, mobil, pesawat udara, robot,

kendaraan luar angkasa, dll.

Gambar 17. Kemasan rangkaian terpadu (IC)

Gambar 16. Rangkaian transistor (a)

CE, (b) CB, dan (c) CC

(a) (b)

(c)

16

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, Jayadin. 2007. Ilmu Elektronika. Electronic book.

Beiser, Arthur. 1995. Konsep Fisika Modern (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.

Krane, Kenneth. 2011. Fisika Modern (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Universitas

Indonesia.

Kusminarto. 1994. Pokok-pokok Fisika Modern. Yogyakarta: FMIPA UGM.

Savin, William. 2008. Fisika Modern Schaum’s Outline. Jakarta: Erlangga.

Surya, Yohanes. 2001. Fisika Itu Mudah SMU 3C. Tangerang. PT Bina Sumber

Daya MIPA.

Zemansky, Mark W., dan Francis Weston Sears. 1994. Fisika untuk Universitas 3

(Terjemahan). Jakarta. Bina Cipta.