PERTEMUAN

STRUKTUR ATOMBohr membuat model atom yang ideal dimana sebuah inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron yang mengitarinya, inti atom memiliki muatan positif yang menarik elektron-elektron (Gambar 1-1). Elektron-elektron akan jatuh ke dalam inti atom jika tidak memiliki gaya sentrifugal pada gerakannya, agar sebuah elektron bergerak didalam lintasan edar yang stabil, maka ia harus mempunyai kecepatan tertentu agar supaya gaya sentrifugal seimbang dengan gaya tarik inti Gambar tiga dimensi seperti gambar 1-1 sukar untuk menunjukkan atom atom yang rumit, hal inilah yang menyebabkan struktur atom dibuat dalam bentuk dua dimensi .Gambar 1-1

Atom Silikon terisolir yang memiliki 14 proton dalam intinya,dua elektron bergerak pada orbit pertama, delapan elektron pada orbit ke dua dan empat pada orbit terluar atau orbit valensi. 14 elektron yang berputar menetralkan muatan dari inti atom sehingga dari luar atom ( secara listrik ) adalah netral ( Gb 1-2).14P

32P

28-4

2 8 18 4

Gambar1-2b. Atom germanium Gambar1-2a. Atom Silikon Gb.1-2 menunjukkan atom Germanium terisolir. Perhatikan 32 proton dalam inti atom dan 32 elektron yang mengorbit. Yang penting khususnya adalah orbit terluar yang terdiri dari 4 elektron,sama seperti Silikon. Oleh karena itu ,Silikon dan Germanium disebut elemen tentravalent ( mempunyai 4 elektron valensi ).

JARI JARI ORBITALAda suatu pemikiran bahwa elektron dapat bergerak dalam orbit dengan jari jari yang berbeda sesuai dengan kecapatan yang dimiliki. Tetapi hal tersebut bertentangan dengan pernyataan fisika modern yang menyatakan sebaliknya bahwa hanya ukuran orbit orbit tertentu yang diizinkan, dengan perkataan lain beberapa jari jari tidak diizinkan Sebagai contoh, orbit terkecil dalam atom hidrogen mempunyai jari jari r1 = 0,53(10) m . Orbit berikutnya yang dizinkan mempunyai jari jari r2 = 2,12(10 ) m . Semua jari jari r1 dan r2 terlarang tidal perduli berapapun kecapatan elektron, sehingga eletron tidak akan terletak pada orbit stabil jika jari jarinya sebesar r1 dan r2.

LEVEL ENERGI Dalam Gb.1-3a, energi diperlukan untuk memindahkan elektron dari orbit terendah ke yang lebih tinggi karena adanya penarikan oleh inti atom. Untuk mempermudah penggambaran dapat dilihat pada Gb.1-3b dimana orbit pertama menyatakan level energi pertama,orbit kedua adalah level energi kedua dan seterusnya,semakin tinggi tingkat level energinya, makin besar energi elektron dan makin besar orbitnya.

r3 Orbit ketiga r2 Orbit kedua

Level energi ketiga Level energi kedua Level energi kesatu

Orbit kesatu

r1

Pusat Inti

IntiGambar 1-3a Gambar 1-3b

KRISTAL Jika atomatom bergabung membentuk padatan (solid), mereka mengatur dirinya sendiri dalam pola tataan tertentu yang disebut KRISTAL. Atom Silikon terisolir memiliki 4 elektron dalam orbit valensinya dan untuk dapat membuat suatu ikatan agar mempunyai 8 elektron dalam orbit valensinya,maka tiap atom Silikon mendudukkan dirinya antara 4 atom Silikon lainnya (Gb.1-4a). Dimana masing masing tetangga membagi eletron dengan atom pusat dengan jalan inilah maka atom pusat mengabil 4 elektron dan membentuk 8 elektron dalam orbit vaelnsinya dan hal inilah yang disebut dengan ikatan kovalen.

Gb.1-4b melambangkan pembagian timbal balik dari elektron.Tiap garis mewakili elektron yang terbagi dimana tiap elektron terbagi membentuk ikatan antara atom pusat dan tetangganya. Jika energi dari luar mengangkat eletron valensi ke level energi yang lebih tinggi ( orbit lebih besar ), elektron yang keluar akan meninggalkan kekosongan dalam orbit terluar ( Gb.1-4.c) dan kekosongan ini dimanakan dengan hole. Hole ekovalen dengan ikatan kovalen yang terputus dan dilambangkan dengan (gambar 1-4d).

Pusat

Pusat

(a)Ikatan Kovalen

(b)Diagram Ikatan

(c)Hole

(d)Ikatan Putus

Gambar.1-4

Pita Energi ( Energy Bands )(Gb.1-5) menunjukkan apa yang terjadi dengan level energi. Semua elektron yang bergerak dalam orbit pertama mempunyai level energi yang sedikit berbeda karena tidak ada dua yang benar benar terlihat mempunyai lingkungan muatan yang sama. Karena ada bermiliyar miliyar elektron pertama, level energi sedikit berbeda membentuk kelompok atau pita. Sama halnya bermilyaran elektron orbit kedua, semua dengan level energi yang sedikit berbeda, membentuk pita energi kedua seperti yang di tunjukkan pada gambar.

Gambar 1-5

KONDUKSI DALAM KRISTAL (Gb.1-6a) menunjukkan sebatang silikon dengan logam pada bagian ujung ujungnya, tegangan luar akan membentuk medan listrik antara ujung ujung kristal.

Nol MutlakPada suhu nol mutlak elektron tidal dapat bergerak melalui kristal, semua elektron di pegang kuat oleh atom atom silikon.Elektron orbit terdalam terkubur di dalam atom, sedangkan elektron orbit terluar merupakan bagian dari ikatan kovalen dan tidal dapat putus tanpa menerima energi dari luar. Oleh sebab itu pada suhu nol mutlak, kristal silikon berlaku seperti isolator yang sempurna.

(Gb.1-6b) menunjukkan diagram pita energi. Tiga pita pertama terisi dan elektron tidal dapat bergerak dengan mudah dalam pita pita ini.Tetapi di atas pita valensi terdapat pita konduksi ( conduction band ). Pita ini mewakili kelompok jari jari berikutnya yang lebih besar yang memenuhi keadaan gelombang partikel dari elektron. Orbit orbit dalam pita konduksi sangat besar sehingga penarikan inti diabaikan, hal ini berakibat jika elektron dapat di angkat ke pita konduksi maka elektron tersebut dapat bergerak bebas dan elektron elektron yang berada di pita konduksi sering kali disebut dengan elektron bebas ( free electron ).

Energi Logam LogamPita Konduksi

SILIKON MURNI

Pita Ketiga

Pita Kedua

Pita Pertama

(a) (b)Gambar 1-6

Di Atas Nol MutlakDengan menaikkan suhu di atas nol mutlak akan menyababkan terputusnya beberapa ikatan kovalen, energi panas ini akan memukul elektron ke dalam pita konduksi sehingga kita mendapatkan elektron pada pita konduksi dalam jumlah terbatas yang dilambangkan oleh tanda negatif (Gb.1-7a).Diatas nol mutlak penggambaran pita energi seperti (Gb.1-7b), dimana energi panas telah mengangkat beberapa elektron ke dalam pita konduksi dimana mereka bergerak dalam orbit dengan jari jari yang lebih besar dari sebelumnya. Dalam (Gb.1-7b), setiap kali elektron menembus ke dalam pita konduksi, dihasilkan hole dalam pita valensi. Oleh sebab itu pita valensi tidal lagi saturasi atau terisi dimana tiap hole mewakili rotasiorbit yang tersedia.

Energi

Gerakan Elektron

Pita Konduksi

Pita Ketiga/Pita valensi

Pita Kedua

Pita Pertama

(a)

(b)

Gambar 1-7

Arus Hole Pada (Gb.1-8) merupakan penggambaran hole didalam atom. Dengan perubahan energi sedikit maka elektron valensi pada A akan berpindah menuju hole yang mengakibatkan akan muncul hole baru pada posisi A. Hole baru ini akan menarik pada posisi A. Hole baru ini akan menarik elektron valensi pada B, ketika elektron valensi bergerak dari B ke A maka holepun bergerak dari A ke B pergerakan eketron valensi ini akan kontinu sepanjang jalan yang ditunjukkan oleh tanda panah sedangkan hole bergerak ke arah yang berlawanan.

Energi thermal ( energi panas ) akan menyebabkan elektron dari pita valensi berpindah ke dalam pita konduksi dan akan menyebabkan terjadinya hole pada pita valensi ( Gb.1-9). Dengan perubahan energi sedikit elektron valensi pada A dapat bergerak ke dalam hole. Sehingga hole yang semula lenyap akan terjadi lagi pada posisi A, kemudian elektron valensi pada B akan bergerak ke dalam hole dan akan tercipta lagi hole baru pada posisi B , proses ini akan terus berlanjut sepanjang jalan yang ditunjukkan oleh tanda panah.

Energi

Pita Konduksi

F

D E

C B

AHOLE

Pita valensi

Gambar 1- 8

Gambar 1- 9

Jika kita memberikan tegangan dari luar pada kristal ,hal ini akan memaksan elektron untuk bergerak. Pada (Gb.1-10a) terdapat dua macam gerakan elektron yang dapat bergerak yaitu elektron pita konduksi dan elektron valensi dimana gerakan elektron valensi kekanan berarti hole sedang bergerak ke kiri.

Hole berlaku seperti muatan positif dengan alasan inilah maka hole disimbolkan dengan tanda positif (Gb.1-10b). Dalam (Gb.1-10b), tiap tanda negatif adalah elektron pita konduksi dalam orbit besar dan tiap tanda positif adalah hole dalam orbit yang lebih kecil. Kadang kadang orbit pita konduksi dari atom dapat tumpang tindih dengan orbit hole lainnya, hal inilah yang menyebabkan elektron pita konduksi sering kali dapat jatuh kedalam hole.

Penggabungan antara elektron pita konduksi dan hole disebut rekombinasi. Jika terjadi rekombinasi maka hole tidal bergerak kemana mana tetapi akan lenyap. Rekombinasi terjadi secara kontinu di dalam semikonduktor dan energi panas yang datang terus menerus menghasilkan pasangan elektron dan hole baru. Umur hidup ( life time ) adalah nama yang diberikan kepada waktu rata- rata antara terciptanya dan lenyapnya pasangan elektron hole . Umur hidup berubah dari beberapa nano detik sampai beberapa mikro detik tergantung kesempurnaan struktur kristal dan faktor faktor lain.

Gerakan Elektron

Gerakan Hole

++++++

Gambar 1-10

DOPINGDoping berarti penambahan atom atom impuritas ( non tetravalent ) pada kristal untuk menambah jumlah elektron bebas maupun hole. Jika kristal di dop, disebut semi konduktor ekstrintik. SEMIKONDUKTOR Tipe N Untuk mendapatkan tambahan elektron pita konduksi maka dapat ditambahkan atom atom pentavalent dimana atom ini memiliki lima elektron dalam orbit valensinya. Dan sekarang dan seterusnya maka akan didapatkan atom pentavalent diantara empat tetangganya seperti ditunjukkan pada (Gb.1-11a).

Setelah membentuk ikatan kovalen dengan empat tetangganya,atom pusat mempunyai kelebihan elektron.Karena orbit valensi tidak dapat memegang lebih dari delapan elektron, elektron sisa ini harus bergerak dalam orbit pita konduksi. (Gb.1-11b) menunjukkan kristal yang telah di dop oleh impuritas pentavalent.Dengan di dop maka akan diperoleh sejumlah besar elektron pita konduksi yang dihasilkan oleh doping. Maka dapat disimpulkan eletron sebagai pembawa mayoritas ( majority carrier ) dan hole sebagai pembawa minoritas ( minority carrier ). Silikon yang didop semacam ini dikenal sebagai semikonduktor tipe n ( negatif ).

Energi

Elektron Lebih

Atom Silikon

Pita konduksi

Atom Silikon

Atom Penta valent

Atom Silikon

Pita valensi

Atom Silikon

Gambar. 1-11

Semikonduktor Tipe-pUntuk menambahkan hole pada kristal maka kita dapat mendop kristal dengan menggunakan impuritas trivalent ( atom dengan 3 elektron dalam orbit terluarnya ). Setelah penambahan ini akan diperoleh atom trivalent diantara empat tetangganya seperti pada (Gb.1-12a). Karena tiap atom trivalent membawa hanya tiga elektron pada orbit valensinya,maka hanya tujuh elektron yang akan berjalan dalam orbit valensinya dan hal ini akan menyababkan munculnya hole dalam setiap atom trivalent. Semikonduktor yang didop oleh impuritas trivalent dikenal sebagai semikonduktor tipe-p ( positif ). Seperti dalam (Gb.1-12b), hole dari semikonduktor tipe p jauh lebih besar jumlahnya dari pita konduksi. Maka hole merupakan pembaya mayoritas dalam semikonduktor tipe-p, sedangkan elektron pita konduksi adalah pembawa minoritas.

Energi Hole Atom Silikon

Pita konduksi

Atom Silikon

Atom Penta valent

Atom Silikon Pita valensi

Atom Silikon

Gambar 1-12

Komponen ElektronikaPeralatan-peralatan elektronika seperti: Televisi, Radio, komputer dan lain-lain dibangun dari komponen-komponen elektronika. Berdasarkan sifatnya komponen dapat di kelompokan menjadi dua jenis, yaitu: 1. Komponen aktif. 2. Komponen pasif

~ Komponen pasif : komponen yang tidak menyerap energi darisumber listrik untuk mengaktifkan kompnen tsb. Yang termasuk jenis komponenpasif adalah: Resistor, Kapasitor Induktor Transpormator ~

Komponen ElektronikaKomponen aktif : komponen yang menyerap energi dari sumber listrik untuk mengaktifkan kompnen tsb. Dioda Transistor Rangkaian terintegrasi (IC) Merupakan komponen aktif. Sebuah rangkaian atau jaringan listrik dapat terbentuk dari elemen-elemen listrik.

ResistorResistor adalah komponen elektronika yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena dia berfungsi sebagai pengatur arus listrik. Fungsi dasar resistor dalam rangkaian Listrik adalah sebagai pembatas arus.

InduktorKumparan ( Induktor ) adalah sebuah elemen rangkaian yang menyimpan energi selama satu periode waktu tertentu dan pengembaliannya selama periode waktu yang lain sedemikian rupa sehingga daya rata-rata adalah nol. Satuan dari nilai induktor adalah Henry ( H ).

CapasitorKapasitor adalah elemen rangkaian yang juga seperti induktor yang menyimpan dan mengembalikan energi, dimana di dalam kapasitor penyimpanan berlangsung di dalam medan listrik. Satuan dari nilai Kapasitor adalah Farad ( F ) .