SUPERKONDUKTOR

PENDAHULUAN

Superkonduktor adalah bahanbahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Yang artinyasuperkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanyasumber tegangan. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medanmagnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner. Efek meissner adalahperistiwa superkonduktor menolak medan magnet luar yang mengenainya.Sifat khas superkonduktor ini ditemukan oleh Meissner dan Ochsenfeld pada tahun 1933. Dengan adanya Efek Meissner ini superkonduktor akan mengambang jika diletakkan di atas bahan magnet. Ketika temperatur bahan diturunkan dari temperatur ruang normal sampai pada batas temperatur tertentu bahan ini akan memiliki sifat superkonduktor Temperatur bahan pada saat terjadinya perubahan sifat bahan ini dinamakan sebagai temperatur kritis (Tc).

SIFAT-SIFAT1.Sifat kelistrikanBahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor.Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara elektron dengan inti atom. Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi.2.Sifat kemagnetanSifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan.3.Sifat quantumTeori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS. Fungsi gelombang BCS menyusun pasangan partikel dan Ini adalah bentuk lain dari pasangan partikel yang mungkin dengan Teori BCS. Teori BCS menjelaskan bahwa :Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.

4.Sifat meissnerKetika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol.

CARA MEMBUAT SUPERKONDUKTOR Cara pembuatan superkonduktor adalah dengan cara menurunkan suhu benda benda dibawah ini. Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

NoBahanSuhu Kritis (Tc)KTahun Ditemukan

1Raksa Hg4,21911

2Timbal Pb7,21913

3Niobium nitrida16,01960-an

4Niobium-3-timah8,11960-an

5Al0,8Ge0,2Nb320,71960-an

6Niobium germanium23,21973

7Lanthanum barium Tembaga oksida281985

8Yttrium barium tembagaoksida (1-2-3 atau YBCO)931987

9Thalium barium kalsiumTembaga oksida125

-

10Karbon ( C )15-

11HgBa2Ca2Cu3O81641995

PEMANFAATAN1.Kereta MagnetikKereta ini dibuat mengambang denagn superkonduktor yang kuat.

2.Magnetic Resonance Imaging(MRI)Pancaran magnet superkonduktor ke bagian tubuh, lalu ditanggap dan menghasilkan gambar MRI.

3.Generator SuperkonduktorGenerator dengan kawat superkonduktor ini mempunyai efisiensi diatas 99% dan ukurannya lebih kecil daripada generator konvensional.4.Saluran TransmisiSaluran ini akan lebih banyak menyalurkan daya listrik dengan jarak yang jauh, dibandingkan dengan saluran transmisi biasa.

SEMIKONDUKTOR

PENDAHULUAN Adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor. . Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tatacara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spefikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

SIFAT- SIFAT1. Semi konduktor pada umumnya bersifat isulator (tidak menghantarkan arus listrik) pada suhu mendekati 0.2. Pada suhu kamar bersifat konduktor, makin tinggi suhunya makin bersifat konduktor.3. Bisa diubah konduktivitasnya.4. Semikonduktor memiliki resistansi.

CARA MEMBUAT SEMIKONDUKTOR1.Cara pembuatan semikonduktor tipe- n

Cara Pembuatan Semikonduktor tipe-nCara pembuatan semikonduktor tipe-n adalah dengan menambahkan atom pengotor pentavalen (antimony, phosporus atau arsenic) pada silikon murni. Atom pengotor ini mempunyai 5 elektron valensi sehingga memiliki muatan sebesar +5q. Pada saat atom pentavalen menempati atom silicon pada kisi kristal, hanya 4 elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, sisanya yaitu sebuah elektron akan menjadi elektron bebas apabila diberi tekanan thermal.

Atom bebas tersebut siap untuk menghantarkan listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut dengan semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari atom netral. Karena atom ini memberikan elektron maka bisa disebut dengan atom pendonor.

2.Cara pembuatan semikondukter tipe- p Semikonduktor tipe-p dibuat sengan cara menambahkan atom trivalen ( aluminium, boron, galium atau indium ) pada semikonduktor murni. atom-atom ini mempunyai 3 elektron valensi ( lihat gambar 1.1 ) sehingga hanya dapat membuat maksimal 3 ikatan kovalen lengkap, nantinya akan tersisa 1 muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan.

Proses ini disebut proses pembuatan semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Atom tersebut juga menerima elektron sehingga disebut dengan atom aseptor (acceptor).

PEMANFAATAN

Dasar penggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion) apabila semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan.Sambungan ini yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Selain itu semikonduktor digunakan untuk membuat sel surya (solar cell) dan penyearah.

1.Solar CellSebelum kedua semikonduktor tersebut disambung, jumlah hole pada pita valensi semikonduktor tipe-p lebih banyak dibanding jumlah hole pada pita valensi semikonduktor tipe-n, sebaliknya jumlah elektron pada pita konduksi semikonduktor tipe-n lebih banyak dibanding jumlah elektron pada pita konduksi semikonduktor tipe-p. setelah keduanya disambungkan maka:Pada pita valensi akan terjadi aliran hole dari semikonduktor tipe-p ke semikonduktor tipe-n dan sebaliknya, serta aliran elektron dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya sampai terjadi kesetimbangan.Pada pita konduksi akan terjadi aliran elektron dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya sampai terjadi kesetimbangan.Pada keadaan setimbang jumlah hole yang bergerak dari pita valensi semikonduktor tipe-p ke semikonduktor tipe-n sama dengan jumlah hole yang bergerak ke arah yang berlawanan. Demikian juga halnya dengan jumlah elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p dan sebaliknya. Akibatnya dua proses tersebut maka pada semikonduktor tipe-n akan berkembang muatan positif dan pada semikonduktor tipe-p akan berkembang muatan negatif. Dengan kata lain antara kedua bagian tersebut timbul potensial listrik.

2.Penyearah (rectifer) atau DiodaPenyearah hanya membolehkan arus listrik dari sumber luar mengalir melaluinya pada satu arah. Sehingga dapat digunakan untuk mengubah arus bolak balik (alternating current = AC) menjadi arus searah (direc current = DC).Penyearah terdiri dari semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n yang dihubungkan oleh sambungan p-n (p-n jucktion) seperti pada gambar.

3.LEDLED (Light Emitting Diode atau Light Emitting Device) merupakan salah satu diode semikonduktor yang dirancang untuk menghasilkan sejumlah besar cahaya monokromatis yang tidak koheren dengan rentang panjang gelombang yang sempit ketika diberi tegangan maju. LED dan bagian-bagiannya disajikan pada Gambar.4.Fotosel CdSFotosel CdS biasa disebut juga fotoresistor, fotokonduktif atau LDR(ligh dependent resistor)merupakan salah satu detektor cahaya yang sangat peka terhadap perubahan intensitas cahaya yang mengenai permukaannya. Fotosel CdS terbuat dari bahan semikonduktor cadmium sulfida yang ditempelkan di atas keramik dengan diameter dari 5-25 mm. Bagian-bagian fotosel detektor seperti yang tertera pada Gambar.http://alief325.blogspot.com/2014/02/semikonduktor-dan-superkonduktor.html

SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Suhu Kritis / Critical Temperature (Tc)Suhu Kritis ini dapat dianalogikan misalnyaperubahan fase air dari keadaan cair ke keadaan padat karena sama sama mempunyai temperature transisi. Temperatur ini berbeda-beda untuk setiap material. Material pertama yang ditemukan efek superkonduktivitasnya, yaitu Merkuri yang mempunyaicritical temperatureserendah 40K(-2690C).

Pada kondisi Dibawah temperature kritisnyaTc, elektron elektron konduksi pembawa muatan akan mencapai suatu tingkatan keadaan baru dan membentuk pasangan elektron yang disebutCooper Pairs. ( Bardeen, Cooper, dan Schieffer , University of Illionis ).Pasangan-pasangan elektron ini bergerak dengan momentum yang sama tanpa mengalami sembarang proses yang dapat menyebabkan kehilangan energi. Dimana Pergerakan dari electron electron dalam bahansuperkonduktordiibarat sepasukan tentara yang berbaris rapi dan berjalan dengankecepatan yang sama dan tidak terjadi pelanggaran diantara mereka. Halini yang menyebabkan elektron dapat bergerak tanpa resistan.

Padakonduktor biasa,elektron bergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur oleh kotoran (impurities) atau olehphonon, phonon adalah kuantum energi getaran kerangka(lattice) kristal bahan. Elektron tersebut akan menimbulkan distorsi terhadap kerangka kristal sehingga menimbulkan daerah tarikan. Tarikan ini dalam superkonduktor pada suhu rendah bisa mengalahkan tolakan Coulomb antar elektron, sehingga dengan ukar menukar phonon dua elektron justru akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Oleh karena keadaan kuantum mereka semuanya sama, suatu elektron tidak dapat terhambur tanpa mengganggu pasangannya, padahal pada suhu T < Tc getaran kerangka tidak memiliki cukup energi untuk mematahkan ikatan pasangan tersebut. Akibatnya mereka tahan terhadap hamburan, jadilah bahan tersebut superkonduktor.

Medan Magnet Kritis.

Medan magnetik yang cukup kuat dapat melenyapkan superkonduktivitas pada suatu material superkonduktor, dimana harga kritis dari medan magnetik untuk menghilang-kan superkonduktivitas disebut MEDAN KRITIS (Hc).Arus yang melalui bahan akan membangkitkan medan magnet H,pada harga medan magnet tertentuHc,bahan akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. Setalah melebihiHcmaka energi akan interaksi antara elektron superkonduktif dengan medan magnet yang cukup besar untuk dapat memecahkan ikatan yang terjadi pada pasangan elektron coopers pairs. Nilai Hc tergantung pada temperature bahan dan membentuk suatu hubungan saling ketergantungan yang berbentuk fungsi parabolik dengan Tc,Kehadiran medan magnetik mempengaruhi tingginya temperatur kritis Tinggi rendahnya suhu transisiTcdipengaruhi banyak faktor. Seperti tekanan yang dapat menurunkan titik beku air, suhu kritik superkonduktor juga bisa turun dengan hadirnya medan magnet yang cukup kuat.

Arus Kritis (Ic)

Medan kritik (Hc) tidak harus berasal dari luar, tapi juga bisa ditimbulkan oleh medaninternal, yaitu jika ia diberi aliran arus listrik. Untuk superkonduktor berbentuk kawatberadius r, arus kritiknya dinyatakan oleh aturanSilsbee:

Ic = 2 p . r . Hc

Jadi pada suhu tertentu (T < Tc) , bahan superkonduktor memiliki ketahananyang terbatas terhadap medan magnet dari luar dan arus listrik yang bisa diangkutnya.Kalau harga-harga kritik ini dilampaui, sifat superkonduktor bahan akan lenyap dengansendirinya. Ambil contoh untuk kawat Pb beradius 1 mm pada suhu 4 K, agar ia tetapbersifat superkonduktor ia tidak boleh menerima medan magnet lebih besar dari 48000A/m atau mengangkut arus listrik lebih dari 300 A. Pada ukuran dan suhu yang samaNb3Sn mampu mengangkut 12500 A, oleh sebab itulah secara teknis superkonduktor tipeII lebih baik pakai. Sebagai perbandingan YBCO pada suhu 77 K dapat mengangkut arus sebesar 530A, cukup lumayan! Naiknya suhu operasi mempunyai nilai ekonomis, karena biaya pendinginan menjadi lebih murah dibandingkan helium cair (untuk menjaga suhu 4 K). Satu liter He harganya US$ 4 (Rp.7000) sedangkan satu liter N2 cuma 25 cent (Rp.450), padahal dalam prakteknya penguapan 1 liter N2 setara dengan penguapan 25 liter He.

Tipe-Tipe Superkundoktor 1. Superkonduktor Tipe I

Keluarga superkonduktor yang terdiri dari unsur-unsur tunggal yang dipeloporioleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, ada kira-kira 27 jenis dari tipe ini. Suatu hal yang menarik, bahwa unsur-unsur yang pada suhu kamar merupakan konduktor banyak diantara mereka yang tidak memiliki sifat superkonduktor pada suhu rendah, contohnya tembaga, perak dan golongan alkali.

2. Superkundoktor Tipe IIPada tahun 1960-an lahirlah keluarga superkonduktor tipe II, yang biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium (Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan. Sifatnya agak agak berbeda dengan tipe I karena suhu kritiknya relatif lebih tinggi, sehingga tipe II ini sering disebut superkonduktor yang alot. Semua alat yang telah menerapkan superkonduktor dewasa ini menggunakan bahan tipe II ini, alasannya akan menjadi jelas kemudian.

3. Superkonduktor Bahan KeramikPada tahun 1985 di laboratorium riset IBM di Zurich,A.MullerdanG.Bednorzmemulai era baru bagi ilmu bahan superkonduktor. Mereka menemukan bahwa senyawa keramik tembaga oksida dapat memiliki sifat superkonduktor pada suhu yang relatif tinggi, rekor suhu kritik yang saat ini sudah mencapai 125 K juga dipegang oleh golongan ini. Perkembangan selanjutnya tampak agak seret, para ahli sendiri masih meributkan ada tidaknya batas suhu kritik yang mungkin dicapai. Ahli riset di Institut Teknologi California meramalkan bahwa suhu kritik superkonduktivitas tidak akan pernah melampaui 250 K, jadi masih cukup jauh di bawah suhu kamar. Apakah benar demikian, kita tunggu saja hasil-hasil penelitian berikutnya.

Aplikasi Bahan Superkonduktor

Medical ApplicationNMR Nuclear Magnetic Resonance ScanningBrain wave activity brain tumour, defective cellsSeparate damaged cells and healthy cellsSuperconducting solenoids magneto hydrodynamic power generation plasma maintenanceEngineeringTransmission of powerSwitching devicesSensitive electrical instrumentsMemory (or) storage element in computers.Manufacture of electrical generators and transformersKereta Magnet (Maglev, Magnetic Levitation Train)

Aplikasi Pada MRI

Aplikasi Pada Sistem Transportasi

http://bangtierta.blogspot.com/2011/05/superkonduktor.html.BAHAN SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantaraisolator dan konduktor.Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor, umumnyadiklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai isolator padatemperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan bersifat sebagai konduktor.Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karenakonduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut doping). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika sepertidioda, transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor sangat luas pemakainnya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an. Oleh karena itusemikonduktor dipelajari secara intensif dalam fisika zat padat. Namun dalam makalah ini hanya dibahas sifat fisis dasar semikonduktor saja.

Dalam menyajikan sifat fisis dasar semikonduktor, makalah ini membahasrapat elektron dan hole, yakni partikel pembawa muatan dalam semikonduktor.Makalah ini juga membahas pengaruh ketakmurnian pada rapat elektron dan hole.Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si),germanium (Ge) dan GaliumArsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahansatu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namunbelakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahanini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyakke-dua yang ada dibumi setelahoksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyakmengandung unsur silikon.

Klasifikasi SemikonduktorBerdasarkan murni atau tidak murninya bahan, semikonduktor dibedakanmenjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik.

1. Semikonduktor IntrinsikSemikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiriatas satu unsur saja,misalnya Si saja atau Ge saja. Pada Kristalsemikonduktor Si, 1 atom Si yangmemiliki 4 elektron valensi berikatandengan 4 atom Si lainnya, perhatikan gambar 1.Pada kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus.Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama ( ) oleh dua atom Si yang berdekatan.Menurut tori pita energi, pada 0 K T pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 -3,7eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV. Bila mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyebrangi celah energi. Elektron valensi pada atom Gelebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan tempat kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron,dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang, kedua pita terisi sebagian, dan daat menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik.

2.Semikonduktor EkstrinsikSemikonduktor 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. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namunmasing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian.Dalam aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping ketidakmurnian ke dalam semikonduktor.Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n Semikonduktor dengan konsentrasi elektron lebih besar dibandingkan konsentrasi holedisebut semikonduktor ekstrinsik tipe-n. Semikonduktor tipe-n menggunakan semikoduktor intrinsik dengan menambahkan atomdonoryang berasal dari kelompok V pada susunanberkala, misalnya Ar (arsenic), Sb (Antimony), phosphorus (P). Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik didalam kisi kristal semikonduktor.Konsentrasi elektron pada Si dan Gedapat dinaikkan dengan proses doping unsur valensi 5. Sisa satu elektron akan menjadi elektron bebas, jika mendapatkan energi yang relatif kecil saja (disebut sebagai energi ionisasi). Elektron ini akan menambah konsentrasi elektron pada pita konduksi. Elektron yang meninggalkan atom pengotor yang menjadiion disebut dengan elektron ekstrinsik. Keberadan impuriti donor digambarkan dengan keadaan diskrit pada energi gap pada posisi didekat pita konduksi.

Karakteristik Bahan SemikonduktorSemikonduktor elemental terdiri atas unsur unsur pada system periodik golongan IV A seperti silikon (Si), Germanium (Ge) dan Karbon (C).Karbonsemikonduktor ditemukan dalam bentuk Kristal intan.Semikonduktor intan memiliki konduktivitas panas yang tinggi sehingga dapat digunakan dengan efektif untuk mengurangi efek panas pada pembuatan semikonduktor laser.Semikonduktor gabungan (kompon) terdiri atas senyawa yang dibentuk dari logam unsur periodik golongan IIB dan IIIA (valensi 2 dan 3) dengan non logam pada golongan VA dan VIA (valensi 5 dan 6) sehingga membentuk ikatan yang stabil (valensi 8). Semikonduktor gabungan III dan V misalnya GaAs dan InP, sedangakan gabungan II dan VI misalnya CdTe dan ZnS.

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalamelektronika.Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyaielektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedraldengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atomtetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat denganerat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar6.2).Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalenterputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadikekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dariikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lamake lubang baru.

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai arusdrift dapat dituliskansebagai berikutPeristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibatadanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negative yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanyapengaruh medan listrikAkibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai:konduktivitas (S cm-1)Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka padasemikonduktor murni

Besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentukelektron hole sebagai pembawa muatan. Pada Si dibutuhkan energi Eg = 1,12 eV.

Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom tiga atau lima dalamtabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau germanium murni (lihat gambar 2) Elemen semikonduktor beserta atom pengotoruang biasa digunakan.

Semikonduktor tipe-nSemikonduktor tipe-ndapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotorpentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silicon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalenlengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yangdihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-nkarenamenghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.Secaraskematik.

Semikonduktor tipe-pDengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-pdapatdibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanyadapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisiatom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisasebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebutsemikonduktor tipe-pkarena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yangnetral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebutsebagai atom aseptor (acceptor).

Generasi dan RekombinasiProses generasi (timbulnya pasangan elektron-lubang per detik per meter kubik)tergantung pada jenis bahan dan temperatur. Energi yang diperlukan untuk prosesgenerasi dinyatakan dalam elektron volt atau eV. Energi dalam bentuk temperaturTdinyatakan dengankT, dimanakadalah konstanta Boltzmann. Analisa secara statistic menunjukkan bahwa probabilitas sebuah elektron valensi menjadi elektron bebas adalahsebanding dengane eVG kT/ . Jika energi gapeVGberharga kecil dan temperaturTtinggimaka laju generasi termal akan tinggi.Pada semikonduktor, elektron atau lubang yang bergerak cenderungmengadakan rekombinasi dan menghilang.Laju rekombinasi (R), dalam pasanganelektron-lubang per detik per meter kubik, tergantung pada jumlah muatan yang ada.Jika hanya ada sedikit elektron dan lubang makaRakan berharga rendah; sebaliknyaRakan berharga tinggi jika tersedia elektron dan lubang dalam jumlah yang banyak.Sebagai contoh misalnya pada semikonduktor tipe-n, didalamnya hanya tersedia sedikitlubang tapi terdapat jumlah elektron yang sangat besar sehinggaRakan berharga sangattinggi.dimanarmenyatakan konstanta proporsionalitas bahan.Dalam kondisi setimbang, besamya laju generasi adalah sama dengan besarnyalaju rekombinasi atau dengan kata lain perkalian konsentrasi elektron dan lubang menghasilkan suatukonstanta, jika salah satu dinaikkan (melalui proses doping), yang lain harus berkurang.Bahan Semikonduktor61. Jika kita menambanhkan atom pengotor pada semikonduktor murni, praktis semua atomdonor atau aseptor terionisasi pada suhu ruang. Pada semikonduktor tipe-n, konsentrasiatom donorND>>ni, dengan konsentrasi elektron sebesar.

Model Setara PenguatSecara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguatadalah mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output) yang besarnya sebanding dengan masukan. Besarnya tegangan keluaran (vo) dibandingkan dengan tegangan masukan (vi) dinyatakan sebagaiv=A vPada paragrap sebelumnya telah dijelaskan bagaimana semikonduktor sambungan NPN atau PNP terbentuk menjadi sebuah transistor. Pada beberapa rangkaian elektronik transistor sering difungsikan sebagai elemen penguat dan saklar terkendali. Dua hal yang membedakan, bila transistor dioperasikan sebagai penguat pemberian tegangan bias diletakkan pada daerah aktif (linier), sedangkan apabila transistor bekerjasebagai saklar pemberian tegangan bias berada pada daerah hantaranpenuh/sumbatan penuh (non linier).http://bima-elektro.blogspot.com/2013/05/bahan-semikonduktor-semikonduktor.html