Pelajaran Fisika

SMA Kelas 3

Kurikulum 2004

Berbasis Kompetensi

ZAT PADAT

DAN

SEMIKONDUKTOR

KOMPETENSI DASAR

Menganalisis konsep fisika zat padat dan semikonduktor dalam menghasilkan produk teknologi elektronika

Kalian pasti sudah kenal dengan benda yang disebut dengan intan dan arang bukan? Intan dan arang memiliki sifat yang sangat berlainan. Intan terlihat begitu indah dan berkilauan saat dikenai cahaya, namun sebaliknya arang terlihat hitam kelam dan rapuh.

Tahukah kalian bahwa intan dan arang tersusun oleh atom-atom yang sama, yaitu atom karbon? Bagaimana mungkin benda yang tersusun dari atom yang sama dapat membentuk zat yang berbeda?

PENDAHULUAN

Mari kita temukan jawabannya setelah kamu mengikuti pembahasan berikut ini.

Pada umumnya atom tunggal tidak memiliki konfigurasi elektron yang stabil seperti gas mulia. Karena itu, atom-atom pada umumnya tidak ditemukan dalam keadaan bebas (kecuali pada suhu tinggi). Agar memiliki konfigurasi elektron yang lebih stabil seperti gas mulia, atom-atom itu bergabung membentuk molekul.

Untuk membentuk molekul, atom-atom itu berikatan. Ada dua jenis ikatan yang akan kita pelajari, yaitu:

IKATAN KIMIA

Ikatan Ion

Ikatan Kovalen

IKATAN ION

Ikatan ion terjadi karena gaya tarik menarik elektrostatik antara dua muatan listrik yang berbeda. Ikatan ini terjadi karena serah terima elektron valensi antara dua atom yang berikatan.

Contoh : NaCl

11Na : 1s2 2s2 2p6 3s1 cenderung melepas 1 elektron : Na+

17Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 2p5 cenderung menarik 1 elektron : Cl-

Na+ + Cl- NaCl

mari kita selidiki lebih lanjut proses terjadinya ikatan ion

IKATAN ION

Na Na+

Cl Cl-

Na melepas 1 elektron menjadi Na+

Cl menerima 1 elektron menjadi Cl-

KUIS

Dapatkah kalian sebutkan molekul-molekul lain yang terbentuk melalui ikatan ion?

Jawab :

KCl, NaBr, KBr, LiF

IKATAN KOVALEN

Ikatan kovalen adalah ikatan antara dua atom melalui pemakaian bersama sepasang elektron sekutu.

Contoh : HCl

1H cenderung menerima 1 elektron

17Cl cenderung menerima 1 elektron

Tidak ada serah terima elektron, tetapi yang terjadi adalah pemakaian bersama sepasang elektron

KUIS

Sebutkanlah molekul-molekul yang terbentuk melalui ikatan kovalen?

Jawab :

H2, NH3, O2, CH4, H2O

Di sekitar kita banyak kita jumpai benda-benda dengan berbagai bentuknya. Ada yang keras, kasar, halus, berkilauan, dan sebagainya. Mengapa benda-benda tersebut mempunyai sifat yang berbeda-beda?

Besi dan kayu Batu bata

Plastik

ZAT PADAT

Telah kita ketahui bahwa tiap bahan disusun oleh atom-atom. Atom-atom bergabung membentuk molekul supaya memiliki konfigurasi elektron yang lebih stabil. Selanjutnya, molekul-molekul bergabung membentuk zat padat, zat cair atau gas. Bagaimana proses ini terjadi?

Di sini kita akan khusus membahas tentang zat padat.

Sifat-sifat zat padat dipengaruhi oleh

• Jenis atom atau molekul yang menyusunnya,

• struktur/susunan molekul tersebut dalam zat padat

Gabungan dua atom membentuk molekul

Gabungan beberapa molekul membentuk zat padat

Bagaimana atom-atom membentuk molekul dan zat padat

Apabila susunan atom-atom atau molekul yang membentuk zat padat memiliki keteraturan jangka panjang dan periodik (berulang), zat padat tersebut dapat digolongkan sebagai zat padat kristal.

ZAT PADAT KRISTAL

ZAT PADAT AMORF

Apabila susunan atom-atom atau molekul suatu zat padat tidak teraturatau hanya memiliki keteraturan pada jarak pendek, zat padat tersebut dinamakan zat padat amorf.

KUISCoba kalian pikirkan bagaimana prosesnya sehingga zat padat tertentu berbentuk kristal sedangkan lainnya berbentuk amorf?

Jawab :

Sebagai contoh, coba perhatikan proses terbentuknya batuan dari magma. Batuan yang bertekstur halus terbentuk dari pembekuan magma yang sangat cepat di permukaan bumi. Ini sama dengan amorf. Batuan yang bertekstur kasar dihasilkan dari pembekuan magma yang sangat lambat yang ada di dalam bumi. Ini adalah kristal.

DIFRAKSI SINAR-X

Susunan atom di dalam zat padat dapat diketahui dengan melakukan percobaan difraksi sinar-X

d

Hubungan antara jarak antar atom (d), sudut datang sinar () dan panjang gelombang () dituliskan sebagai

2 d sin = n n = orde difraksi

KUISBerkas sinar-X didifraksikan oleh kristal garam dapur. Pemantulan kuat orde pertama terjadi pada sudut datang 30o. Panjang gelombang sinar-X yang digunakan 1,54 Å. Berapakah jarak antar atom dari kristal garam dapur ini?

Jawab :

Panjang gelombang = 1,54 Å n = 1 (orde pertama) sudut datang = 30o

2 d sin = n

d =n

2 sin =

1 . 1,54

2 . 0,5

d = 1,54 Å

Tidak semua kristal sempurna. Ada juga kristal yang memiliki cacat dalam strukturnya. Cacat tersebut dapat mempengaruhi sifat fisis kristal.

CACAT KRISTAL

Cacat kristal dapat dibagi menjadi kekosongan, interstisial, dan ketidakmurnian

kekosongan interstisial ketidakmurnian

IKATAN DALAM ZAT PADAT

Kita harus membedakan antara ikatan atom pembentuk molekul bebas dengan ikatan sejumlah atom pembentuk sebuah zat padat.

Ada lima jenis ikatan pembentuk zat padat, yaitu:1. Ikatan Ion

2. Ikatan Kovalen

5. Ikatan Hidrogen

3. Ikatan Logam4. Ikatan Van der Walls

Kristal ionik yang paling dikenal adalah garam dapur atau NaCl.

Sifat-sifat kristal ionik :

•Termasuk kristal keras

•Konduktor yang buruk

•Titik leleh tinggi

Ini bisa terjadi karena ikatan antara ion-ion penyusunnya kuat

Na

Cl

KRISTAL LOGAMJenis ikatan berbeda terjadi dalam kristal logam, disebut ikatan logam. Ikatan ini terjadi antara gas elektron bebas dengan ion positif logam. Sebuah kristal logam dapat digambarkan sebagai sederetan ion-ion positif yang menempati kedudukan teratur dalam kisi kristal, dengan elektron-elektron valensi yang membentuk ges elektron bergerak bebas di antara ion-ion positif ini.

Gas elektron yang bukan milik salah satu ion logam

Ion positif logam yang menempati kisi kristal

Elektron valensi

++

+ +

--

--

+++

--

-

molekul nonpolar molekul polar

++

+

+ ---

-

+++

---

Mungkinkah atom gas mulia berikatan dengan atom lain membentuk molekul?

Muatan dalam suatu molekul dapat mengalami polarisasi, sehingga antara dua molekul yang berdekatan akan timbul gaya tarik menarik antara muatan yang berbeda. Ini adalah Ikatan Van Der Walls.

PITA ENERGIZat padat terdiri dari atom-atom yang saling berdekatan, yang masing-masing memiliki tingkat energi, sehingga pada zat padat tingkat energi dari tiap atom saling bertumpukan dan membentuk pita energi.

Atom tunggal Banyak atom Zat padat

PITA ENERGI

Pita konduksi

Pita valensi

celah energi

Pita valensi adalah pita energi terakhir yang terisi penuh elektronPita konduksi adalah pita energi di atas pita valensi yang kosong atau terisi elektron sebagianCelah energi adalah pita energi di antara pita valensi dan pita konduksi yang tidak boleh ditempati elektron (pita terlarang)

KONDUKTIVITAS BAHAN

Mengapa tembaga dipakai sebagai bahan pembuat kabel listrik? Mengapa kayu tidak dipakai untuk membuat kabel listrik? Mengapa plastik digunakan sebagai pembungkus kabel listrik?Pertanyaan di atas berkaitan dengan pembahasan konduktifitas listrik suatu bahan. Berdasarkan sifat listriknya, suatu bahan dibagai menjadi tiga macam yaitu :

KonduktorIsolator

Semikonduktor

Pita konduksi

Pita valensi

celah energi

KONDUKTOR

Konduktor adalah zat padat yang mudah menghantarkan arus listrik (contoh tembaga). Ini disebabkan oleh elektron bebas yang ada di pita konduksi.

Pita konduksi

Pita valensi

celah energi besar

Isolator adalah zat padat yang sukar menghantarkan listrik (contohnya kayu, batu dan kaca). Ini disebabkan pita konduksi kosong yang berarti tidak ada elektron bebas, dan celah energi besar membuat elektron dari pita valensi sulit naik ke pita konduksi.

ISOLATOR

Pita konduksi

Pita valensi

celah energiSemikonduktoradalah zat padat yang bersifat isolator pada suhu rendah tetapi bersifat konduktorpada suhu tinggi.

Semikonduktor memiliki pita konduksi kosong dan celah energi yang tidak terlalu besar yang memungkinkan elektron melompat dari pita valensi ke pita konduksi pada suhu yang cukup tinggi. Silikon dan Germanium adalah contoh semikonduktor.

SEMIKONDUKTOR

Pada suhu kamar, elektron mendapat cukup energi untuk lepas dari ikatan untuk menghasilkan elektron bebas dan hole

Si

Si

SiSi

Si

Pita konduksi

Pita valensi

celah energi

Kristal silikon

SEMIKONDUKTOR

Pita konduksi

Pita valensi

celah energi

Arus hole

Bagaimana hole menghantarkan arus listrik?Coba perhatikan gambar berikut ini!

SEMIKONDUKTOR

SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

SiSi

Si

Si

Si

Semikonduktor intrinsik hanya mengandung satu jenis atom yang berikatan secara kovalen

Semikonduktor akan lebih bermanfaat apabila mengandung lebih banyak elektron atau hole

Semikonduktor ekstrinsikmengandung lebih banyak elektron atau hole. Ada dua jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu tipe-p dan tipe-n

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

BSi

Si

Si

Si

Pita konduksi

Pita valensi

Pita akseptor

AsSi

Si

Si

Si

SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

Pita konduksi

Pita valensi

Pita donor

Semikonduktor tipe-p terbentuk antara Si dengan As. Terdapat satu elektron yang tidak berikatan dan menempati pita donor yang berada sedikit di bawah pita konduksi