Top Banner
Sifat Listrik pada Bahan Setiap bahan atau material memilki karakternya masing-masing. Salah satu karakter itu berupa sifat kelistrikan bahan. Berdasarkan sifat kelistrikannya, bahan tergolong menjadi 3 jenis, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. 1. Bahan konduktor (penghantar) adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity) yang besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Contoh bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium. 2. Bahan isolator ( penyekat ) adalah bahan yang befungsi untuk menyekat atau menghalangi arus listrik (misalnya antara 2 penghantar) , agar tidak terjadi aliran listrik atau kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang tinggi. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah plastik, karet, dan sebagainya. 3. Bahan s emi k onduktor (s etengah p enghantar ) adalah bahan yang mempunyai daya hantar lebih kecil dibanding
22

Electrical Properties

Nov 28, 2015

Download

Documents

electrical properties of matters, electrical properties, material science, tugas pengantar fisika material, summary of callister 7ed electrical properties
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Electrical Properties

Sifat Listrik pada Bahan

Setiap bahan atau material memilki karakternya masing-masing. Salah

satu karakter itu berupa sifat kelistrikan bahan. Berdasarkan sifat kelistrikannya,

bahan tergolong menjadi 3 jenis, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor.

1. Bahan konduktor (penghantar) adalah bahan yang dapat menghantarkan listrik

dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity)

yang besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar

listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Contoh bahan penghantar yang

sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.

2. Bahan isolator (penyekat) adalah bahan yang befungsi untuk menyekat atau

menghalangi arus listrik (misalnya antara 2 penghantar), agar tidak terjadi aliran

listrik atau kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi

bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang

tinggi. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah plastik,

karet, dan sebagainya.

3. Bahan semikonduktor (setengah penghantar) adalah bahan yang mempunyai daya

hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar dibanding bahan

isolator. Dalam teknik elektronika banyak dipakai semikonduktor dari bahan

germanium (Ge) dan silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah bahan

pelikan dan merupakan isolator. Di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi doping.

Jika bahan tersebut didoping dengan alumunium maka diperoleh bahan

semikonduktor tipe-p (bahan yang kekurangan electron atau mempunyai sifat

positif). Jika didoping dengan fosfor maka yang dipeoleh adalah semikonduktor

tipe-n (bahan yang kelebihan electron, sehingga bersifat negatif). Ge mempunyai

daya hantar lebih tinggi dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas

dibanding Ge.

A. Hukum Ohm

Page 2: Electrical Properties

Salah satu karakteristik listrik yang paling penting dari bahan padat

adalah kemudahan dalam mentransmisikan arus listrik. Hukum Ohm berkaitan

dengan arus I-atau rata-rata waktu lintasan pengisian muatan pada aplikasi voltage

V :

V=I⋅R

dimana I adalah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam

(ampere), V adalah tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung penghantar

(volt), dan R adalah nilai hambatan listrik yang terdapat pada suatu penghantar

(ohm).

Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang

mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda

potensial yang diterapkan kepadanya, atau juga menyatakan bahwa besar arus

yang mengalir pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda

potensial antara kedua ujung-ujung konduktor.

Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila

nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial

yang dikenakan kepadanya.

Fungsi utama hukum Ohm adalah digunakan untuk mengetahui

hubungan tegangan dan kuat arus serta dapat digunakan untuk menentukan suatu

hambatan beban listrik tanpa menggunakan Ohmmeter. Kesimpulan akhir hukum

Ohm adalah semakin besar sumber tegangan maka semakin besar arus yang

dihasilkan.

Resistivitas (ρ) merupakan karakteristik dari suatu jenis bahan atau

material, besar resistivitas untuk bahan-bahan isotropik dapat dirumuskan

sebagai :

Page 3: Electrical Properties

ρ=Ej ,

dimana E merupakan besar medan listrik dan j merupakan besar rapat arus. Jika

kita meninjau sebuah penghantar silinder, yang luas penampangnya A dan

panjangnya l, mengangkut sebuah arus i yang tetap. Jika dihubungkan beda

potensial V di antara ujung-ujung panghantar tersebut (anggap permukaan

penghantar merupakan ekipotensial), maka medan listrik dan rapat arus akan

konstan untuk semua titik di dalam silinder, sehingga dapat diperoleh persamaan :

E=Vl dan

j= iA .

Sehingga nilai resistivitas dirumuskan sebagai :

ρ=

Vl

iA

=V⋅Ai⋅l

,

karena V/i merupakan besaran hambaran (R), maka :

ρ=RAl

=Ω⋅m2

m=Ωm

B. Konduktivitas Listrik

Setiap bahan memilki nilai konduktivitas dan resistivitas yang berbeda-

beda. Koduktivitas listrik merupakan suatu besaran yang menyatakan kemampuan

sutau bahan untuk dapat menghantarkan arus listrik. Besarnya merupakan resiprok

dari resistivitas bahan, dimana resistivitas sebagaimana yang telah dijelaskan

diatas merupakan kemampuan suatu bahan untuk dapat menahan arus listrik.

Besar konduktivitas bahan dirumuskan sebagai :

σ=1ρ=Ω−1⋅m−1=(Ωm )−1

Konduktivitas listrik suatu bahan mempengaruhi jenis kelistrikan bahan

tersebut. Semakin besar nilai konduktivitas suatu bahan, maka bahan tersebut

semakin bersifat konduktor. Dan sebaliknya semakin kecil nilai konduktivitas

suatu bahan, maka bahan tersebut semakin bersifat isolator.

Berdasarkan hukum Ohm juga dapat ditentukan hubungan antara rapat

arus, konduktivitas bahan dan medan listrik :

J=σ⋅E

Page 4: Electrical Properties

dan untuk menentukan intensitas medan listrik, dapat digunakan perumusan

berikut :

Berikut beberapa contoh nilai konduktivitas bahan :

Jenis Bahan Resistivitas Konduktivitas

Konduktor Tembaga 10⁻⁶ Ωcm 10⁶ (Ωcm)⁻¹

Semikonduktor Silikon 50 x 10⁻³ Ωcm 0,02 x 10³ (Ωcm)⁻¹

Germanium 50 Ωcm 0,02 (Ωcm)⁻¹

Isolator Mika 10¹² Ωcm 10⁻¹² (Ωcm)⁻¹

Tabel 1. Nilai konduktivitas bahan

C. Konduktivitas Ionik

Ion merupakan unsur yang memiliki muatan. Konduktivitas ionik

merupakan kemampuan pergerakan suatu ion yang melalui kecacatan pada kisi

kristal padatan maupun larutan. Pada umumnya dalam padatan, ion bersifat tetap

pada kisi kristal (tidak bergerak). Akan tetapi jika temperatur dinaikkan, maka

konduktivitas ionik dapat terjadi.

D. Struktur Pita Energi di Dalam Zat Padat

Dalam fisika zat padat, struktur pita elektronik (atau secara

sederhana struktur pita) suatu padatan menggambarkan rentang energi yang

dibolehkan atau terlarang bagi sebuah elektron. Pita ini terbentuk

akibat difraksi gelombang kuantum elektron. Struktur pita elektronik ini

menentukan beberapa ciri bahan, terutama salah satunya yaitu sifat listriknya.

Elektron-elektron pada atom bebas mengisi orbital-orbital atom,

membentuk sekumpulan tingkat-tingkat energi yang diskrit. Bila beberapa atom

didekatkan bersama-sama dalam sebuah molekul, orbital atomik mereka terbelah.

Ini menghasilkan sejumlah orbital molekuler yang sebanding dengan jumlah atom.

Bila sejumlah besar atom (dalam orde 1020) digabungkankan bersama-sama

membentuk padatan, banyaknya orbital ini menjadi sangat besar, dan perbedaan

energi di antara mereka menjadi sangat kecil, sehingga tingkat-tingkat energi ini

dapat dianggap membentuk pita energi kontinu, bukannya tingkat energi diskrit

E=Vl

Page 5: Electrical Properties

seperti yang dijumpai atom bebas. Namun beberapa selang energi tidak memiliki

orbital, berapa pun banyaknya atom yang bergabung. Ini membentuk celah pita

Dalam pita energi, tingkat energi begitu banyaknya sehingga membentuk

kesinambungan. Pertama, selisih antara tingkat energi dalam padatan dapat

dibandingkan dengan energi yang terus-menerus dipertukarkan

dengan fonon (vibrasi atom). Kedua, selisih tersebut sebanding dengan

ketidakpastian energi akibat prinsip ketidakpastian Heisenberg, untuk jangka

waktu yang cukup panjang. Akibatnya, selisih antara tingkat-tingkat energi ini

dapat diabaikan.

Ketiga jenis bahan yang diglongkan berdasarkan sifat kelistrikannya,

seperti yang telah dijelaskan di atas, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor,

dibedakan juga oleh perbedaan celah energi atau energi gap dari masing-masing

bahan. Energi gap adalah sela antara pita konduksi dan pita valensi.

Gambar 1. Struktur pita energi

Elektron dari pita valensi harus mempunyai energi minimum sebesar energi gap

untuk sampai ke pita konduksi. Gambar di atas memperlihatkan besar energi gap

dari masing-masing bahan. Tampak bahwa isolator mempunyai energi gap yang

paling besar sehingga electron pada pita valensi sangat sulit untuk berpindah ke

pita konduksi. Pada konduktor celah energi atau energi gap sangat kecil bahkan

pada beberapa logam, pita konduksi dan pita valensi saling over laping sehingga

bisa dikatakan tidak terdapat energi gap. Untuk bahan semikonduktor, energi gap

dapat berubah sesuai suhunya. Celah energi pada semikonduktor semakin kecil

apabila dipanaskan (suhunya dinaikkan), dan sebaliknya.

Page 6: Electrical Properties

E. Mobilitas Elektron

Saat medan listrik diaplikasikan, elektron bebas dari suatu atom akan

mengalami percepatan. Percepatan ini terjadi sepanjang aplikasi dari medan listrik

tersebut, sehingga mengakibatkan meningkatnya nilai arus dalam setiap waktu.

Di samping itu, pergerakan elektron juga mengalami gaya gesek yang disebabkan

oleh hamburan elektron karena melewati ketidakmurnian kisi kristal, seperti cacat

kristal. Gerakan bersih (net motion) dari elektron yang arahnya berlawanan medan

disebut dengan arus listrik.

Terjadinya fenomena hamburan dapat ditunjukkan oleh hambatan yang

terjadi pada arus listrik. Beberapa parameter lain juga digunakan untuk

membuktikan adanya peristiwa hamburan ini, termasuk drift velocity dan

mobilitas elektron.

vd=E⋅μe

Drift velocity (vd) merupakan kecepatan rata-rata elektron pada arah

medan yang berlaku, dimana nilainya sebanding dengan medan listrik E. Dan μe

disebut dengan mobilitas elektron, yang menandakan dari frekuensi

penghamburan.

F. Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai

isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur tinggi

bersifat sebagai konduktor. Bahan semi konduktor yang sering digunakan adalah

silikon, germanium, dan galium arsenide. Semikonduktor dapat diatur sedemikian

rupa sehingga dapat bersifat sebagai konduktor dan dapat pula bersifat sebagai

Page 7: Electrical Properties

isolator. Pada suhu kamar, semikonduktor dapat bersifat sebagai penghantar arus

listrik. Semakin besar suhu, maka akan semakin bagus pula sifatnya sebagai bahan

konduktor. Hal ini disebabkan karena ketika suhu atau temperatur dinaikkan maka

jarak antar pita valensi dan pita konduksi (band gab) akan semakin kecil, sehingga

makin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.

a. Struktur Bahan Semi-konduktor

Bahan semikonduktor murni akan menjadi isolator pada suhu mutlak (-

2730C), hal ini dikarenakan elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron

valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit terluar sebuah unsur.

Nama Unsur Lingkar Orbit ( K L M N )Jumlah

Elektron

Elektron

Valensi

boron 2 3 5 3

alumunium 2 8 3 13 3

silikon 2 8 4 14 4

fosfor 2 8 5 15 5

galium 2 8 18 3 31 3

germanium 2 8 18 4 32 4

arsenikum 2 8 18 5 33 5

indium 2 8 18 18 3 49 3

antimon 2 8 18 18 5 51 5

barium 2 8 18 18 8 2 56 2

Tabel 2. Susunan elektron pada beberapa atom

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling

banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Silikon lebih banyak

digunakan daripada Gemanium karena sifatnya yang lebih stabil pada suhu tinggi.

Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung ( indirect

bandgab ), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari

pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar

terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang

Page 8: Electrical Properties

besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah

partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi

momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit

memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan

sebagai piranti fotonik / optoelektronik.

Sifat-sifat kelistrikan sebuah kristal tergantung pada struktur pita energi

dan cara elektron menempati pita energi tersebut. Pita energi dibedakan menjadi

3, yaitu:P

1. Jalur Valensi (Pita Valensi)

Penyebab terbentuknya jalur valensi adalah adanya ikatan atom-atom yang

membangun kristal. Pada jalur ini elektron dapat lepas dari ikatan atomnya

jika mendapat energi.

2. Jalur Konduksi ( Pita Konduksi )

Jalur konduksi adalah tempat elektron-elektron dapat bergerak bebas karena

pengaruh gaya tarik inti tidak diperhatikan lagi. Dengan demikian elektron

dapat bebas menghantarkan listrik.

3. Jalur Larangan ( Pita Gab )

Jalur larangan adalah jalur pemisah antara jalur valensi dengan jalur konduksi.

Energi yang dibutuhkan untuk dapat melewati jalur ini disebut sebagai

energi Gab (Eg), merupakan nilai yang membedakan apakah bahan itu

termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor. Satuan energi gab adalah

elektron volt (eV). Satu elektron volt adalah energi yang diperlukan sebuah

elektron untuk berpindah pada beda potensial sebesar 1 volt. Satu elektron volt

setara dengan 1,60 x 10-19 Joule.

b. Semikonduktor Instrinsik 

 Semikonduktor instrinsik adalah semikonduktor yang tidak disisipkan

atom-atom lain (atom pengotor). Semikonduktor jenis ini memiliki jumlah

elektron dan hole (pembawa muatan positif) yang sama. Konduktivitas

semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa

muatan hole maupun elektron bebas. Elektron valensi pada germanium lebih

mudah tereksitai termik menjadi elektron bebas dari pada elektron valensi pada

atom silikon, hal ini berhubungan dengan adanya pita pita energi untuk elektron

didalam kristal semikonduktor. Dalam atom bebas elektron hanya dapat

mempunyai nilai energi tertentu saja.

Page 9: Electrical Properties

Dikatakan elektron hanya dapat berada pada tingkat energi tertentu

dalam kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak berdekatan didalam

susunan yang berkala, maka elektron dapat berada pada pita-pita energi .Oleh

adanya prinsip Larangan Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadan orbital atom

hanya dapat berisi dua buah elektron saja, maka untuk semikonduktor pita-pita

enrgi yang bawah akan terisi penuh hingga suatu pita energi tertentu. Oleh karena

setiap atom mempunyai empat buah elektron valensi, maka ada satu pita energi

yang terisi penuh dan pita energi berikutnya kosong.

c. Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan

sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis

semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua

macam, yaitu semikonduktor tipe-p (pembawa muatan hole) dan tipe-n (pembawa

muatan elektron). Semikonduktor intrinsik dapat diberi unsur tak murni tertentu

sesuai dengan karakteristik listrik yang dikehendaki.

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil

atom pengotorpentavalen (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 2).

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. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan seperti

terlihat pada gambar 2.

Page 10: Electrical Properties

Gambar 2. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi lima

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi

semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.

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 3) 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). Secara skematik semikonduktor tipe-p

digambarkan seperti terlihat pada gambar 3.

Page 11: Electrical Properties

Gambar 3. a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi

semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.

Ilustrasi Semikonduktor intrinsik

Ilustrasi Semikonduktor ekstrinsik

Page 12: Electrical Properties

Ketergantungan Temperature pada Konsentrasi Pembawa

Page 13: Electrical Properties

Adapun Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pergerakan Pembawa, diantaranya :

1. Pengaruh kandungan dopant

2. Pengaruh suhu

G. Efek hall

Efek hall merupakan peristiwa perubahan arah muatan karena adanya medan

magnet. Efek hall digambarkan seperti berikut :

Perangkat Semikonduktor :

1. The p-n rectifying junction

Page 14: Electrical Properties

2. Transistor

H. Konduksi Pada Keramik Ionik dan Polimer

1. Konduksi pada bahan ionik

kation dan anion dalam bahan ionik memiliki muatan listrik dan, sebagai

akibatnya,mampu migrasi atau difusi ketika sebuah medan listrik hadir. Dengan

demikian arus listrik akan dihasilkan dari gerakan bersih dari muatan ion,yang akan hadir

di samping karena saat ini untuk setiap gerak elektron. Tentu saja,anion dan kation

migrasi akan berada dalam arah yang berlawanan. Konduktivitas total bahan ionik sama

dengan jumlah dari kedua kontribusi elektronik dan ion.

2. Sifat Listrik pada Polimer

Bahan polimer yang telah disintesis yang memiliki konduktivitas listrik setara

dengan konduktor logam, disebut conducting polimer.

Page 15: Electrical Properties

I. Perilaku Dielektrik

1. Kapasitansi

Ketika tegangan diterapkan di seluruh kapasitor, satu piring menjadi

bermuatan positif, yang lainnya bermuatan negatif, dengan medan listrik yang sesuai

diarahkan dari positif ke negatif. Kapasitansi C terkait dengan jumlah muatan disimpan

di kedua piring Q :

C=QV

C=∈0Al

C=∈ Al

2. Vektor Bidang dan Polarisasi

Pendekatan yang terbaik untuk penjelasan fenomena kapasitansi dengan

bantuan vektor bidang.

p=qd

Proses penyelarasan dipol disebut polarisasi.

Tipe-tipe Polarisasi ada 3 yaitu elektronik polarisasi, ionic polarisasi dan

Orientasi polarisasi, dimana ketiga macam polarisasi tersebut dijelaskan melalui gambar

berikut :

Page 16: Electrical Properties

Adapun grafik ketergantugan frekuensi terhadap konstanta dielektrik sebagai

berikut :

3. Kekuatan Dielektrik

Kekuatan dielektrik, kadang-kadang disebut gangguan kekuatan, mewakili

besarnya medan listrik yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan.

4. Bahan Dielektrik

Page 17: Electrical Properties