FISIKA

RADIOAKTIVITAS

RINGKASAN

Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi

menjadi inti yang stabil. Materi yang mengandung inti tak-stabil yang memancarkan radiasi,

disebut zat radioaktif. Besarnya radioaktivitas suatu unsur radioaktif (radionuklida) ditentukan

oleh konstanta peluruhan (l), yang menyatakan laju peluruhan tiap detik, dan waktu paro

(t½). Kedua besaran tersebut bersifat khas untuk setiap radionuklida. Berdasarkan

sumbernya, radioaktivitas dibedakan atas radioaktivitas alam dan radioaktivitas buatan.

Radioaktivitas buatan banyak digunakan di berbagai bidang.

URAIAN

1. Definisi radioaktivitas

Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan

berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang takstabil

disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif.

Peluruhan ialah perubahan inti atom yang tak-stabil menjadi inti atom yang lain, atau

berubahnya suatu unsur radioaktif menjadi unsur yang lain.

Radioaktivitas ditemukan oleh H. Becquerel pada tahun 1896. Becquerel menamakan radiasi

dengan uranium. Dua tahun setelah itu, Marie Curie meneliti radiasi uranium dengan

menggunakan alat yang dibuat oleh Pierre Curie, yaitu pengukur listrik piezo (lempengan

kristal yang biasanya digunakan untuk pengukuran arus listrik lemah), dan Marie Curie

berhasil membuktikan bahwa kekuatan radiasi uranium sebanding dengan jumlah kadar

uranium yang dikandung dalam campuran senyawa uranium. Disamping itu, Marie Curie juga

menemukan bahwa peristiwa peluruhan tersebut tidak dipengaruhi oleh suhu atau tekanan,

dan radiasi uranium dipancarkan secara spontan dan terus menerus tanpa bisa dikendalikan.

Marie Curie juga meneliti campuran senyawa lain, dan menemukan bahwa campuran

senyawa thorium juga memancarkan radiasi yang sama dengan campuran senyawa uranium,

dan sifat pemancaran radiasi seperti ini diberi nama radioaktivitas.

Pada tahun 1898, ia menemukan unsur baru yang sifatnya mirip dengan bismut. Unsur baru

ini dinamakan polonium diambil dari nama negara asal Marie Curie, yaitu Polandia. Setelah

itu H. Becquerel dan Marie Curie melanjutkan penelitiannya dengan menganalisis pitch blend

(bijih uranium). Mereka berpendapat bahwa di dalam pitch blend terdapat unsur yang

radioaktivitasnya lebih kuat daripada uranium atau polonium. Pada tahun yang sama mereka

mengumumkan bahwa ada unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan barium. Unsur baru ini

dinamakan radium (Ra), yang artinya benda yang memancarkan radiasi. Detail dari

penemuan ini dapat dilihat pada pokok bahasan tentang Penemuan Radioaktivitas Alam.

2. Waktu Paro

Waktu paro (t½) adalah waktu yang diperlukan oleh suatu radionuklida untuk meluruh

sehingga jumlahnya tinggal setengahnya. Radiasi radionuklida mempunyai sifat yang khas

(unik) untuk masing-masing inti. Peristiwa pemancaran radiasi suatu radionuklida sulit untuk

ditentukan, tetapi untuk sekumpulan inti yang sama, kebolehjadian peluruhannya dapat

diperkirakan. Waktu paro bersifat khas terhadap setiap jenis inti.

Laju pancaran radiasi dalam satuan waktu disebut konstanta peluruhan (l) dan secara

matematik hubungan antara l dan t½ dinyatakan dengan

l = 0,693/ t½

3. Radioaktivitas alam dan buatan

Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, dan

radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia. Dalam radioaktivitas alam,

ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh

radioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai

dengan penggunaannya.

4. Radioaktivitas alam

4.1 Radioaktivitas primordial

Pada litosfer, banyak terdapat inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya

bumi, yang tersebar secara luas yang disebut radionuklida alam. Radionuklida alam banyak

terkandung dalam berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan,

kayu, bebatuan, dan bahan bangunan.

Radionuklida primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop

yang terkandung dalam kalium alam. Uraian lengkap mengenai radioaktivitas alam dijelaskan

pada pokok bahasan "inti radioaktif alam (08-01-01-02)".

4.2 Radioaktivitas yang berasal dari radiasi kosmik

Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom

yang ada di udara menghasilkan berbagai macam radionuklida. Yang paling banyak

dihasilkan adalah H-3 dan C-14.

Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radionuklida seimbang, sehingga secara

teoritis jumlahnya di alam adalah tetap. Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan

mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, dapat ditentukan umur dari benda

tersebut dan metode penentuan umur ini dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating).

5. Radioaktivitas Buatan

5.1. Radioaktivitas yang berhubungan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir

Energi yang dihasilkan oleh proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik

tenaga nuklir. Dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor keselamatan radiasi

menjadi prioritas yang utama, dan dengan berkembangnya teknologi pembangkit listrik

tenaga nuklir, maka tingkat keselamatan radiasinya pun semakin tinggi.

5.2. Radioaktivitas akibat percobaan senjata nuklir

Radioaktivitas yang berasal dari jatuhan radioaktif akibat percobaan senjata nuklir disebut fall

out. Tingkat radioaktivitas dari fall out yang paling tinggi terjadi pada tahun 1963 dan setelah

itu jumlahnya terus menurun. Hal itu disebabkan pada tahun 1962 Amerika dan Rusia

mengakhiri percobaan senjata nuklir di udara.

5.3. Radioaktivitas dalam kedokteran

Radioaktivitas yang berasal dari radioisotop dalam bidang kedokteran digunakan misalnya

untuk diagnosis, terapi, dan sterilisasi alat kedokteran. Uraian lengkap dari penggunaan

radioaktivitas di bidang kedokteran dapat dibaca pada pokok bahasan penggunaan radiasi

dalam bidang kedokteran.

5.4. Radioaktivitas dalam rekayasa teknologi

Penggunaan radiasi dalam bidang pengukuran (gauging), analisis struktur materi,

pengembangan bahan-bahan baru, dan sebagai sumber energi dibahas dalam pokok

bahasan penggunaan radiasi dalam rekayasa teknologi.

5.5. Radioaktivitas dalam bidang pertanian

Penggunaannya dalam bioteknologi, pembasmian serangga atau penyimpanan bahan

pangan, dan teknologi pelestarian lingkungan dibahas dalam pokok bahasan penggunaan

radiasi dalam produksi pertanian, kehutanan dan laut.

Sumber : www.batan.go.id

Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p.



Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.



Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.



Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.



Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi / metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut.



1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.



2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.



3. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan positif..

Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.



4. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W.

5. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.

6.



Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi (nomor 1 di atas).



7.



Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain.



Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi.



Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.



Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.



Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn di gambar atas ) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula.



Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.



Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p.



Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.



Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.



Bagaimana cara membuat sel surya dapat dilihat di artikel Pembuatan Sel Surya Silikon : Sang Primadona

Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak bisa lepas dari material semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan persediaan yang berlimpah di bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan, telah menjadi pilihan dalam teknologi semikonduktor. Silikon very large scale integration (VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini. Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari komputer telah mendorong teknologi silikon VLSI ke silikon ultra high scale integration (ULSI). Saat ini metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar teknologi integrated circuit (IC). Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi sekitar 0,1 mikron untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa masalah yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short channel dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu sendiri.



Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.

Material Semikonduktor

Bila ditinjau dari sifat listriknya, suatu bahan zat padat dapat dikelompokan menjadi

beberapa bagian:

1. Bahan isolator yang memiliki harga resistivitas antara 1014 – 1022 Ω.cm

2. Bahan semikonduktor yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm

3. Bahan konduktor yang memiliki harga resistivitas 10-5Ω.cm

Ketiga jenis bahan tersebut banyak dimanfaatkan untuk bahan baku pembuatan komponen-

komponen elektronik, misalnya bahan isolator banyak digunakan sebagai lapisan dielektrik

pada kapasitor metal-oksida-semikonduktor, bahan semikonduktor digunakan sebagai lapisan

aktif pada komponen-komponen elektronik maupun komponen optoelektronik sedangkan

konduktor sering digunakan untuk pembuatan kontak pada komponen elektronik.

Fokus pembahasan kita pada modul ini adalah tentang bahan semikonduktor. Setiap

bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus

merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar

ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki

energi gap yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar

3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun

divais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.

Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali dieksplorasi

adalah Germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti untuk

bahan baku pembuatan divais elektronik maupun optoelektronik adalah Silikon dengan

pertimbangan bahan silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain

silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan

II-VI atau III-V dalam tabel periodik (gambar 1) baik binary (paduan 2 unsur) maupun







Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam







2





Modul 4 Semikonduktor





ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb,

GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut masing-masing memiliki

ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinya

dapat disesuaikan dengan karakteristik fisisnya masing-masing.



























































Gambar 1 Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor



B. Model Ikatan atom pada bahan Semikonduktor

Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan

saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan kovalen.

Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya

ikatan kristal pada bahan Silikon. Gambar 2a menunjukan ilustrasi ikatan kovalen dari atom

Silikon pada kondisi temperature nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom Silikon

menyumbangkan satu electron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila kristal

semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka

penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini

dapat membangkitkan pasangan elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari

keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan

menjadi hole seperti nampak pada gambar 2b.









Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam









3





























































(a)























































(b)



Modul 4 Semikonduktor





Gambar 2 Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur nol

Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin













Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam













4











C. Model Pita Energi Semikonduktor



Modul 4 Semikonduktor



Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada

kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 3b), keadaan elektron valensi ini

memiliki tingkat energi yang besarnya EV. Elektron valensi ini berkontribusi pada

pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan

keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi

dengan tingkat Energi EC (gambar 3a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya

dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan

kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas

yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi EC. Pada gambar 3c diilustrasikan

keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron

valensi pada tingkat energy EV akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat Energi

EC. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi

celah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang

dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.



































(a) (b) (c)





Gambar 3. Model pita energi bahan semikonduktor





























Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam





























5











































































D. Tipe Semikonduktor



Modul 4 Semikonduktor





Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor



Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu

semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan

semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila

semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana

elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi

elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :









































Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam









































6





Modul 4 Semikonduktor





Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya

tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom

pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5

pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang

tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat

menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan

semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)























































Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor





Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3

maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan

(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal

silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga

kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)

























Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam

























7





Modul 4 Semikonduktor

























































Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron





E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor





Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik

listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu

arus hanyut (drift) dan arus difusi.





1. Arus Hanyut (Drift)

Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel

bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang

berbanding lurus dengan medan listriknya.





Laju hanyut elektron





Laju hanyut

Dimana



















Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam



















8











Rapat arus drift untuk elektron adalah:











Rapat arus drift untuk hole adalah:



Modul 4 Semikonduktor













Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus

drift elektron dengan rapat arus drift hole :











Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:



=q(n n + p p) (1/Ω.cm)



Dan resistivitasnya  = 1/  (Ω.cm)





2. Arus Difusi



Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.

Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang

memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien

konsentrasi yang dirumuskan :

Arus difusi untuk hole











Arus difusi untuk elektron













Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron



















Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam



















9





Modul 4 Semikonduktor





Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus

difusi yang dirumuskan :





Rapat arus total untuk elektron













Rapat arus total untuk hole

Superkonduktor

Ismunandar dan Cun Sen (Kimia ITB)



Superkonduktor belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya transmisi listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya pendinginan (suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar). Tulisan singkat berikut mengajak Anda mengenal lebih jauh 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).



Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau ? 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan pada gambar 1.



Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.



Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 2. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.



Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.



Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian.



Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K.



Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi.Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.



Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 3. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.



Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7000 ari segi tempat.



Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.



Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan superkonduktor di dunia diproyeksikan untuk berkembang senilai $90 trilyun pada tahun 2010 dan $200 trilyun pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan dibidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa

Momen magnetik

!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Momen dipol magnetik elektron dan Momen magnetik nuklir



Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.[69]



Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[70]



Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.[70][71]



Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.[72][73]

LED atau Light Emitting Diode

Aha . . Pasti uda pada tau tentang LED. LED adalah dioda yang dapat mengeluarkan cahaya. Karena kemampuannya itu maka LED lebih sering dipakai sebagai indikator dalam suatu alat. Ingin mengetahui lebih dalam lagi ??? Pembahasannya akan disajikan dengan bahasa yang mudah dipahami maka Ikuti terus tutorial ini.

Prinsip kerja LED

Di dalam LED terdapat sejumlah zat kimia yang akan mengeluarkan cahaya jika elektron-elektron melewatinya. Dengan mengganti zat kimia ini, kita dapat mengganti panjang gelombang cahaya yang dipancarkan, seperti infrared, hijau/biru/merah dan ultraviolet.

Cara Kerja LED

Kita sudah tau bahwa LED adalah dioda, sehingga memiliki kutup ( polar ). Arah arus konvensional hanya dapat mengalir dari anoda ke katoda. Dan bagaimana kita dapat membedakan kutup-kutupnya ?? Perhatikan bahwa 2 kawat ( kaki ) pada LED memiliki panjang yang berbeda. Kawat yang panjang adalah anoda sedangkan yang pendek adalah katoda.

Bagian-bagian Atom







Semua material terdiri dari molekul, dan molekul juga terdiri dari atom. Atom mempunyai suatu inti dengan elektron yang beredar disekitarnya. Inti atom terdiri dari kutub positif (proton) dan negatif (elektron). Kebanyakan atom dikenal hanya memiliki proton dan elektron. Elektron memiliki muatan listrik negatif (-), sedangkan proton memiliki muatan positif (+). Netron tidak memiliki muatan listrik atau netral. Muatan listrik negatif yang dimiliki oleh elektron seimbang dengan muatan listrik positif yang dimiliki oleh proton. Hal ini dikenal sebagai ikatan elektron.











Elektron Bebas







Elektron yang berada di luar ikatan, dapat beredar bebas dari aplikasi gaya luar, seperti pergerakan melalui medan magnet, friksi atau pengaruh kimia. Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Elektron bebas dapat meninggalkan garis edarnya, dimana dapat diisi oleh elektron yang memaksa keluar dari garis edar pada atom yang lain. Elektron bebas berpindah satu atom ke atom berikutnya, disitulah arus elektron diproduksi. Ini adalah prinsip dasar dari kelistrikan.

PEMBENTUKAN SAMBUNGAN P-N



Hubungan PN dapat terjadi dengan mendifusi impuritas tipe-p pada salah satu ujung kristal tipe-n. walaupun ada hubungan antara dua tipe silikon namun sebagai keseluruhan bertindak sebagai kisi kristal tunggal. Akibatnya elektron bebas dari tipe-n akan bergerak menuju hole pada tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke elektron di tipe-n sehingga terjadi proses rekombinasi. Selanjutnya akan terjadi lapisan deplesi. Pada dasarnya lapisan ini adalah isolator dengan kelebihan elektron di sisi tipe-p dan kelebihan hole di sisi tipe-n dan berakibat timbulnya beda tegangan di hubungan pn, yaitu Vγ, seperti ditunjukkan pada gambar 3 berikut.



Setelah hubungan PN terbentuk, hole dari tipe-p konsentrasinya lebih besar dari hole di tipe-n, sehingga hole akan berdifusi, demikian pula pada elektron juga akan berdifusi dan berekombinasi. Namun proses ini tidak terjadi terus-menerus dan akan berhenti jika terjadi kesetimbangan antara difusi dan drift. Dalam keadaan seimbang :

1. daerah tipe-p netral

2. daerah muatan ruang tipe-p

3. daerah muatan ruang tipe-n

4. daerah tipe-n netral

Daerah (2) dan (3) → daerah muatan ruang/lapisan deplesi/dipole listrik. Pada daerah ini ada medan listrik walaupun tidak diberi tegangan.







Dalam keadaan seimbang, Jn = 0, sehingga : J_n=qμ_n n E+q D_n dn/dx=0

Diperoleh E=-D_n/μ_n 1/n dn/dx=-kT/q d/dx(ln⁡〖n)〗 (Relasi Einstein D_n/μ_n =kT/q )

Atau :

V_b=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒〖E dx〗=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒kT/q d/dx(ln⁡〖n)〗 dx

V_b=kT/q ln⁡〖n_n/n_p 〗=kT/q ln⁡〖(n_n n_p)/(n_i^2 )〗=kT/q ln⁡〖(n_A n_D)/(n_i^2 )〗



Jadi walaupun dalam keadaan kesetimbangan termal, terdapat beda tegangan antara kedua kutub dioda – tegangan difusi.



Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari tipe-p ke tipe-n.

Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.











Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.



Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.

Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang” o V (lihat gambar 7.3). Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.



Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihaatkan pada gambar 7.3, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkan terjadinya medan listrik e dalam arah - x . Kita dapat menggunakan v = -òe dx untuk mendapatkan distribusi potensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang Vo yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas.







Gambar 7.4. Dioda p-n berpanjar maju (forward bias) : a) Rangkaian dasar dan; b) Potensial penghalang mengalami penurunan

Tipe Semikonduktor



Modul 4 Semikonduktor





Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor



Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu

semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan

semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila

semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana

elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi

elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :









































Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam









































6





Modul 4 Semikonduktor





Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya

tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom

pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5

pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang

tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat

menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan

semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)























































Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor





Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3

maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan

(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal

silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga

kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)

























Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam

























7





Modul 4 Semikonduktor

























































Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron





E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor





Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik

listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu

arus hanyut (drift) dan arus difusi.





1. Arus Hanyut (Drift)

Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel

bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang

berbanding lurus dengan medan listriknya.





Laju hanyut elektron





Laju hanyut

Dimana



















Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam



















8











Rapat arus drift untuk elektron adalah:











Rapat arus drift untuk hole adalah:



Modul 4 Semikonduktor













Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus

drift elektron dengan rapat arus drift hole :











Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:



=q(n n + p p) (1/Ω.cm)



Dan resistivitasnya  = 1/  (Ω.cm)





2. Arus Difusi



Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.

Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang

memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien

konsentrasi yang dirumuskan :

Arus difusi untuk hole











Arus difusi untuk elektron













Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron



















Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam



















9





Modul 4 Semikonduktor





Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus

difusi yang dirumuskan :





Rapat arus total untuk elektron













Rapat arus total untuk hole

3. a. Semikonduktor Intrinsik (murni)

Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam

elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai

elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral

dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom

tetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.

Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan

erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.



Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1

eV 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 (gambar

6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke

pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen

terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi

kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron

bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan

kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari

ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di

tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.



Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor

pentavalen (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 6.3).

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.





Semikonduktor tipe-p

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 6.4) 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)



1. Semikoduktor

Semikonduktor adalah bahan padat yang sifat hantaran listriknya terletak antara

bahan konduktor dan bahan isolator. Pada suhu rendah berprilaku seperti bahan isolator,

dan pada suhu tinggi berprilaku seperti bahan konduktor. Pita konduksi dan pita valensi

terisi sebagian serta band gapnya cukup sempit. Semikonduktor juga dapat diartikan

sebagai bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni

sebesar 10-6 sampai dengan 104ohm.m. semikonduktor dapat juga diartikan bahan yang

memiliki pita energi terlarang terlarang (forbidden band) atau energi gap (EG) yang relatf

kecil kira-kira sebesar 1 eV.



Pita Energi Si dan Ge

Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling

berimpit. Berdasarkan pengisian elektron, pita energi dapat dibedakan menjadai dua jenis,

yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi

penuh oleh elektron, sedangkan pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita

valensi yang terisi oleh sebagian atau tidak terisi sama sekali oleh elektron. Pada umumnya

diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut dengan celah

energi ( hole ).[1]



pita energi untuk Kristal

semikonduktor. pada keadaan kesetimbangan (equilibrium), pita energi terbagi menjadi

dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau

beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (forbidden gap atau band gap). Pita atas

dinamakan pita konduksi, dan pita bagian bawah dinamakan pita valensi.



Donor atau Semikonduktor Jenis n

Suatu unsure Sb ditambahkan dalam jumlah sedikit ke dalam semikonduktor Ge

dan Si. Atom-atom pencampur mempunyai ukuran yang sebanding dengan atom-atom Ge

dan Si. Di dalam Kristal, satu atom pencampur dikelilingi oleh atom-atom bahan

semikonduktor. Empat atom tetangga dari atom pencampur (Gambar 3). Elektron valensi

ke lima dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat dikeluarkan dan dibebaskan

dengan mengeluarkan sejumlah energy yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan

energy yang diperlukan untuk membongkar ikatan kovalen.

dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau pencampur menjadi ion tidak bergerak

bermuatan positif. Masing-masing atom pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu

electron bebas ke semikonduktor. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis ini

dinamakan semikonduktor jenis n karena pembawa-pembawa arus yang dihasilkan

merupakan muatan negative (elektron). Elektron-elektron bebas yang dihasilkan dengan

cara ini dinamakan electron berlebihan.

Elektron-elektron merupakan pembawa mayoritas dan lubang yang dibangkitkan

panas merupakan pembawa minoritas dalam semikonduktor jenis n. alam semikonduktor

jenis n, kalau n dan p berturut-turut menggambarkan konsentrasi electron dan konsentrasi

lobang, dapat ditunjukkan bahwa np = nipi = ni

2 dimana ni dan pi adalah nilai-nilai

intrinsik.

heelow guys,,, gimana udah tertarik dengan belajar fisika????,,,

nah,, saya lagi ada melakukan proyek baru, siapa tahu bisa meningkatkan minat bsobat-sobat, terutama adik-adik di sd, smp dan sma dalam belajar fisika. nama proyek ini "KARTUN DALAM PEMBELAJARAN FISIKA". disini saya akan mencoba menggunakan media kartun untuk meningkatkan minat dan prestasi dalam belajar fisika,,,semoga proyek ini bisa berhasil.

nb: menurut kalian apa film kartun bisa di gunakan sebagai media belajar fisika yang efektif?? tolong kasi komentar ya????

"Galileo" beralih ke halaman ini. Untuk kegunaan lain dari Galileo, lihat Galileo (disambiguasi).

Galileo Galilei

Potret Galileo Galilei oleh Giusto Sustermans

Potret Galileo Galilei oleh Giusto Sustermans

Lahir 15 Februari 1564[1]

Pisa, Toscana - Italia[1]

Wafat 8 Januari 1642 (umur 77)[1]

Arcetri, Toscana - Italia[1]

Tempat tinggal Kadipaten Agung Toscana

Bidang Astronomi, Fisika dan Matematika

Alma mater Universitas Pisa

Dikenal atas Kinematika

Teleskop

Tata surya

Agama Katolik Roma



Galileo Galilei (lahir di Pisa, Toscana, 15 Februari 1564 – meninggal di Arcetri, Toscana, 8 Januari 1642 pada umur 77 tahun) adalah seorang astronom, filsuf, dan fisikawan Italia yang memiliki peran besar dalam revolusi ilmiah.



Sumbangannya dalam keilmuan antara lain adalah penyempurnaan teleskop, berbagai observasi astronomi, dan hukum gerak pertama dan kedua (dinamika). Selain itu, Galileo juga dikenal sebagai seorang pendukung Copernicus mengenai peredaran bumi mengelilingi matahari.



Akibat pandangannya yang disebut terakhir itu ia dianggap merusak iman dan diajukan ke pengadilan gereja Italia tanggal 22 Juni 1633. Pemikirannya tentang matahari sebagai pusat tata surya bertentangan dengan ajaran Aristoteles maupun keyakinan gereja bahwa bumi adalah pusat alam semesta. Ia dihukum dengan pengucilan (tahanan rumah) sampai meninggalnya. Baru pada tahun 1992 Paus Yohanes Paulus II menyatakan secara resmi bahwa keputusan penghukuman itu adalah salah, dan dalam pidato 21 Desember 2008 Paus Benediktus XVI menyatakan bahwa Gereja Katolik Roma merehabilitasi namanya sebagai ilmuwan.[2]



Menurut Stephen Hawking, Galileo dapat dianggap sebagai penyumbang terbesar bagi dunia sains modern. Ia juga sering disebut-sebut sebagai "bapak astronomi modern", "bapak fisika modern", dan "bapak sains". Hasil usahanya bisa dikatakan sebagai terobosan besar dari Aristoteles. Konfliknya dengan Gereja Katolik Roma (Peristiwa Galileo) adalah sebuah contoh awal konflik antara otoritas agama dengan kebebasan berpikir (terutama dalam sains) pada masyarakat Barat.

Daftar isi

[sembunyikan]



* 1 Biografi

* 2 Astronomi

* 3 Rujukan

* 4 Lihat pula



[sunting] Biografi



Galileo Galilei dilahirkan di Pisa, Tuscany pada tanggal 15 Februari 1564 sebagai anak pertama dari Vincenzo Galilei, seorang matematikawan dan musisi asal Florence, dan Giulia Ammannati. Ia sudah dididik sejak masa kecil. Kemudian, ia belajar di Universitas Pisa namun terhenti karena masalah keuangan. Untungnya, ia ditawari jabatan di sana pada tahun 1589 untuk mengajar matematika. Setelah itu, ia pindah ke Universitas Padua untuk mengajar geometri, mekanika, dan astronomi sampai tahun 1610. Pada masa-masa itu, ia sudah mendalami sains dan membuat berbagai penemuan.



Pada tahun 1612, Galileo pergi ke Roma dan bergabung dengan Accademia dei Lincei untuk mengamati bintik matahari. Di tahun itu juga, muncul penolakan terhadap teori Nicolaus Copernicus, teori yang didukung oleh Galileo. Pada tahun 1614, dari Santa Maria Novella, Tommaso Caccini mengecam pendapat Galileo tentang pergerakan bumi, memberikan anggapan bahwa teori itu sesat dan berbahaya. Galileo sendiri pergi ke Roma untuk mempertahankan dirinya. Pada tahun 1616, Kardinal Roberto Bellarmino menyerahkan pemberitahuan yang melarangnya mendukung maupun mengajarkan teori Copernicus.



Galileo menulis Saggiatore di tahun 1622, yang kemudian diterbitkan pada 1623. Pada tahun 1624, ia mengembangkan salah satu mikroskop awal. Pada tahun 1630, ia kembali ke Roma untuk membuat izin mencetak buku Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo yang kemudian diterbitkan di Florence pada 1632. Namun, di tahun itu pula, Gereja Katolik menjatuhkan vonis bahwa Galileo harus ditahan di Siena.



Di bulan Desember 1633, ia diperbolehkan pensiun ke vilanya di Arcetri. Buku terakhirnya, Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze diterbitkan di Leiden pada 1638. Di saat itu, Galileo hampir buta total. Pada tanggal 8 Januari 1642, Galileo wafat di Arcetri saat ditemani oleh Vincenzo Viviani, salah seorang muridnya.

[sunting] Astronomi



Tidak seperti yang dipercaya sebagian orang, Galileo tidak menciptakan teleskop tapi ia telah menyempurnakan alat tersebut. Ia menjadi orang pertama yang memakainya untuk mengamati langit, dan untuk beberapa waktu, ia adalah satu dari sedikit orang yang bisa membuat teleskop sebagus itu. Awalnya, ia membuat teleskop hanya berdasarkan deskripsi tentang alat yang dibuat di Belanda pada 1608. Ia membuat sebuah teleskop dengan perbesaran 3x dan kemudian membuat model-model baru yang bisa mencapai 32x. Pada 25 Agustus 1609, ia mendemonstrasikan teleskop pada pembuat hukum dari Venesia. Selain itu, hasil kerjanya juga membuahkan hasil lain karena ada pedagang-pedagang yang memanfaatkan teleskopnya untuk keperluan pelayaran. Pengamatan astronominya pertama kali diterbitkan di bulan Maret 1610, berjudul Sidereus Nuncius.



Galileo menemukan tiga satelit alami Jupiter -Io, Europa, dan Callisto- pada 7 Januari 1610. Empat malam kemudian, ia menemukan Ganymede. Ia juga menemukan bahwa bulan-bulan tersebut muncul dan menghilang, gejala yang ia perkirakan berasal dari pergerakan benda-benda tersebut terhadap Jupiter, sehingga ia menyimpulkan bahwa keempat benda tersebut mengorbit planet.



Galileo adalah salah satu orang Eropa pertama yang mengamati bintik matahari, diperkirakan Astronomi astronom Tionghoa sudah mengamatinya sejak lama. Selain itu, Galileo juga adalah orang pertama yang melaporkan adanya gunung dan lembah di bulan, kesimpulan yang diambil melihat dari pola bayangan yang ada di permukaan. Ia kemudian memberi kesimpulan bahwa bulan itu "kasar dan tidak rata, seperti permukaan bumi sendiri", tidak seperti anggapan Aristoteles yang menyatakan bulan adalah bola sempurna.



Galileo juga mengamati planet Neptunus pada 1612 namun ia tidak menyadarinya sebagai planet. Pada buku catatannya, Neptunus tercatat hanya sebagai sebuah bintang yang redup.