bahan-bahan semikonduktor

SEMIKONDUKTOR

Pengertian Dasar Semikonduktor adalah sesuai dengan namanya (setengah penghantar) mempunyai daya hantar yang besarnya antara harga daya hantar konduktor dan daya hantar isolator.

·         Sifat Semikonduktor dipengaruhi oleh :

–           Susunan pita konduksi bahan

–           Susunan pita valensi bahan

-      Perbandingan celah energi dengan bahan lain

·         Bahan Semikonduktor yang sering dipakai di dunia elektronika adalah dari bahan :

–        Germanium (Ge)

–        Silikon (Si)

·         Jenis Semikonduktor :

o   Intrinsik

o   Ekstrinsik

Semikonduktor instriksik adalah timbulnya konduksi pada bahan-bahan tersebut disebabkan oleh proses intrinsik (karena ernergi termal) dari bahan dan tanpa adanya pengaruh bahan tambahan.

Semikonduktor ekstrinsik adalah dengan megotori bahan-bahan (Ge, Si) dengan bahan lain mislkan arsenikum (As), boron (B)

Doping adalah proses penyuntikan bahan tambahan terhadap semikonduktor murni.

·         Dari hasil doping diperoleh bahan Semikonduktor dua tipe :

–        Tipe P

–        Tipe N

·         Tipe P adalah bahan semikonduktor murni yang mendapat tambahan bahan B (Boron), Al (Aluminium), Ga (Galium), In (Indium)

·         Tipe N adalah bahan semikonduktor murni yang mendapat tambahan bahan P (Phospor), As (Arsen), At (Antimon).

PEMBAWA MUATAN.

 Pembawa muatan semikonduktor ada dua macam :

–        Hole (Lubang)

–        Elektron

Hole maksudnya adalah jika semikonduktor murni Ge yang mempunyai 4 elektron di kulit terluarnya mendapatkan doping dari bahan lain 3 elektron bebas sehingga kristal Ge kekurangan 1 elektron (mempunyai hole) Elektron maksudnya adalah jika semikonduktor murni Ge yang mempunyai 4 leketron bebas di kulit terluarnya mendapatkan doping dari bahan lain 5 elektron bebas sehingga kristal Ge kelebihan 1elektron.

Atom Akseptor adalah bahan semikonduktor yang ditambahkan pada Ge yang menimbulkan kekurangan elektron (menimbulkan hole).  Contoh atom akseptor adalah atom dari Boron, aluminium, gallium, indium. Letak atom akseptor pada celah energi lebih dekat pada vita valensi

Atom Donor adalah bahan semikonduktor yang ditambahkan pada Ge yang menimbulkan kelebihan elektron. Contoh atom donor adalah phospor, arsen, antimon  Letak atom donor pada celah energi lebih dekat pada pita konduksi Bahan jenis P adalah bahan yang banyak mendung hole sedangkan elektron bebasnya sedikit sehingga hole merupakan pembawa mayoritas dan elektron pembawa muatan minoritas. Bahan jenis P ini berlaku sebagai akseptor.

Bahan jenis N adalah bahan yang banyak mendung elektron bebas sehingga elektron bebas sebagai pembawa muatan mayoritas dan hole sebagai pembawa mutan minoritas. Bahan jenis N inilah sebagai donor.

Sambungan PN (PN Junction)

Jika jenis P dan jenis N disambungkan menjadi satu maka akan menjadi dioda (diode).        Untuk bahan jenis P disebut anoda (anode), sedangkan untuk bahan jenis N disebut katoda (katode).

Pada sambungan PN bertegangan, elektron dan hole yang terletak dekat sambungan saling menarik dan bergabung sehingga timbul tegangan oleh minoritas hole pada bahan jenis N dan minoritas elektron pada bahan jenis P, sehingga seakan-akan terdapat baterai dengan tegangan kecil yang polaritasnya berbeda dengan polaritas tegangan sumber.

Tegangan yang timbul ini disebut dengan potensial barier (tegangan penghalang).

Tegangan barier ini akan mengakibatkan aliran dan perpindahan muatan mayoritas akan berhenti jikalau tegangan maju (foreward) tidak cukup besar.

Tegangan Maju (Foreward Bias).

                Apabila sambungan PN dipasang tegangan luar yang polaritasnya berbeda dengan potensial barier akan terjadi dua akibat penting :

                Pertama, dengan adanya tegangan luar tersebut tegangan (+) akan menolak hoe pada bahan jenis P ke arah sambungan (junction) sementara muatan (-) juga akan menolak elektron ke arah sambungan.

                Kedua, selanjutnya potensial barier pada sambungan akan dinetralkan. Akibat pembawa muatan mayoritas dapat menembus sambungan dan akan menimbulkan aliran arus.                

Tegangan Terbalik (Reverse Bias)

                Dengan membalik polaritas tegangan luar sehingga searah dengan potensial barier maka hal ini akan menyebabkan bertambahnya pengaruh dari potensial barier.  Pembawa muatan mayoritas akan semakin sulit untuk menembus sambungan.

Walaupun pembawa muatan mayoritas tidak dapat mengalir akibat adanya tegangan mundur tadi, tegangan mumdur akan menyrbabkan muatan minoritas menembus sambungan. Dengan adanya tegangan mundur, pembawa muatan mayoritas akan tertarik menjauhi sambungan sehingga potensial barier semakin besar. 

Tegangan Barier untuk dioda ada dua macam :

–        0,6 V untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon

–        0,2 V untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium

Karakteristik Arus Tegangan Dioda Semikonduktor ada dua macam :

 Karektristik Maju

Karakteristik maju diperoleh dengan memberikan catu maju mulai dari tegangan sebesar 0 V pada sebuah dioda. Pada tegangan 0 V arus yang mengalir realtif kecil karena adanya potensial barier. Setalah tegangan barier dapat dilewati maka arus yang mengalir akan bertambah dengan cepat seiring dengan naiknya tegangan luar.

Karakteristik Terbalik.

Karakteristik terbalik diperoleh dengan memasangkan tegangan luar terbalik pada dioda, pembawa muatan mayoritas tidak akan mengalir dan hanya pembawa muatan minoritas yang akan mengalir. Dengan memperbesar tegangan reverse, mulai dari 0 V, arus reverse yang terjadi akhirnya akan mencapai tingkat kejenuhan stelah melalui tegangan tembusnya.

Kalau tegangan terbalik dinaikkan terus secara beransur-ansur, arus bocor akan naik dengan sangat lambat. Pada suatu harga tegangan –7 V (Si) arus naik dengan cepat. Pada saat itu dicapai tegangan tembus atau tegangan zener (breakdown voltage).

Tegangan Bocor untuk dioda :

–        Dioda germanium arus bocor berada diantara 2 s/d 10 mikro Ampere.

–        Dioda silikon arus bocor berada diantara 20 s/d 100 nano Ampere.

Tahanan Dioda :

Jika dioda diberi tegangan maju akan mengalirkan arus dari anoda ke katoda yang besar, berarti bahwa tahanan arus yang mengalir dari anoda ke katoda adalah kecil.

Jika dioda diberi tegangan terbalik maka arus yang menglir dari katoda ke anoda sangat kecil, ini berarti bahwa tahanan terbalik dioda besar sekali.

Komponen-kompone yang terbuat dari Semikonduktor :

Dioda Zener adalah dioda yang bekerja pada daerah zener (dapat melakukan arus yang berubah-ubah pada suatu tegangan tertentu). Gunanya untuk membuat tegangan pada suatu rangkaian sehingga menjadi tetap (stabil).

Dioda Cahaya (Light Emitting Diode = LED) adalah suatu jenis dioda yang apabila diberi tegangan maju akan menimbulkan cahaya pada sambungan PN-nya.

Diode Fote (Photo dioda) adalah suatu jenis dioda yang tahanan terbaliknya berubah-ubah tergantung kuatnya cahaya yang ada pada.                                                                                                                            

Transistor adalah semikonduktor yang terbuat dari bahan P-N-P dan N-P-N, dan bisa juga terbuat dari dua dioda –PN – NP --     dan -- NP—PN—

SUPERKONDUKTOR

Adalah bahan yang pada suhu tertentu (sangat rendah) tahanannya mendekati nol sehingga apabila dialiri arus listrik , maka arus akan terus mengalir dengan tidak usah ditambah tenaga lagi.                

Dr. Palmer N. Peters ahli fisika antariksa NASA tahun 1998 dalam percobaannya :

Jika superkonduktor di bawah pengaruh medan magnet ternyata megambang di udara (efek suspensi)

Jika besi mangetnya dalam posisi bebas berada di dekat superkonduktor besi magnet juga dapat mengambang di udara (efek levitasi)    

Penemuan superkonduktor merupakan perkembangan ilmu fisika modern yaitu Kriogenik (Criogenics) adalah   salah suatu cabang ilmu pengetahuan, khususnya fisika, yang mempelajari kelakuan zat-zat atau bahan-bahan dalam keadaan suhu yang sangat rendah.

Davy, Faraday, Boyle, dan Lord Kelvin berhasil merusmuskan hukum alam, yaitu bahwa hampir semua gas akan naik temeperaturnya bila dimampatkan, serta akan turun suhunya bila dimuaikan.

Tahun 1885 dua ilmuwan Polandia, Karol S. Olszewski dan Z. Von Wrolewski, berhasil mencairkan udara. Dua puluh tahun kemudian berhasil dirumuskan bahwa suatu gas kecuali helium akan berwujud pada dalam temperatur nol derajat mutlak (-273,16 ^oC atau 4,26 ^oK).

Superfluida adalah peristiwa dimana pada suhu 2,2 ^oK helium cair berubah menjadi cairan helium yang mampu menghantarkan panas satu juta kali lebih efektif dibandingkan tembaga, serta satu milyar kali lebih efektif dibandingkan cairan normal.

Superkonduktifitas adalah peristiwa beberapa bahan, teristimewa logam pada keadaan temeperatudiatas sedikit nol derajat mutlak hambatan jenisnya menurun secara dratis, bahkan akan hilang (nol) ditemukan oleh Kamerlingh Onnes pada tahun 1911.

Penemuan superkonduktor membawa pengaruh pada perlatan elektronika seperti transformator, generator dan motor listrik sehingga dapat dibuat peralatan tersebut diatas dengan effisiensi 100%.

Superkonduktor dapat juga merupakan pelindung (shield) yang sempurna terhadap segala bentuk medan magnet.

Jenis-jenis Superkonduktor :

Jenis I (Pb, Ag, Sn) dengan beberapa sifat :

–        Menyalurkan arus pada permukaannya sampai pada kedalaman 10^-4 mm pada medan magnet sehingga medan magnetnya menjadi sangat besar.

–        Menghantarkan arus yang tetap sehingga menimbulkan medan magnet tanpa kerugian sebab medan listriknya di semua tempat adalah nol

Jenis II dengan beberapa sifat :

–        Medan magnetnya mencapai medan kritis

–        Suhu kritisnya relatif sehingga merupakan peralihan atau berubah menjadi konduktor normal.

–        Menghantarkan arus tetap sehingga menimbulkan medan magnet dengan kerugian kecil dan dapat diabaikan.

PERANGKAT YANG SUDAH MENGGUNAKAN SUPERKONDUKTOR :

A.    Elektromagnet, karena dengan bahan superkonduktor dimungkinkan untuk membuat elektromagnet yang kuat dengan ukuran kecil. Contohnya komponen magneto Hidro Dinamik.

B.     Elemen penghubung karena superkonduktor mempunyai Hc dan To, maka dalam pemakaian superkonduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan salah satu besaran di atas. Contohnyamagnetik dielektrik Cryotron sebagai pemutus komputer.

Aplikasi Superkonduktor di berbagai bidang antara lain :

         1.         Bidang Komputer 

–          Sebagai switch pengganti bahan metal film, emas sehingga makin efisiensi dan efektivitas meningkat.

–          Sel-sel memori komputer sehingga makin cepat

–          Cryotrons apalikasi superkonduktor pada teknologi komputer

         2.         Bidang Fisika

-            Fusilaser suatu proses penghasil energi harapan di masa yang akan datang

         3.         Bidang Kedokteran

-            Temperatur yang rendah (170 ^oK) akan mengakibatakan operasi pada pasien dapat berjalan dengan baiak seperti operasi syaraf, mata, dan pengobatan kanker

         4.         Bidang Industri Tenaga Listrik

        - Transmisi dan distribusi tenaga dapat dilakukan dengan sempurna (100%)

         5.         Bidang Telekomunikasi

        -  Sebagai pen-switch-an kecepatan tinggi dalam pikodetik tanpa cacat.     

        - Detektor superkonduktor untuk transmisi khusus pada frekuensi 300 GHz.

        - Antena superkonduktif digunakan pada telepon