Top Banner

of 37

Elektrik,Dielektrik Dan Emikonduktor

Mar 06, 2016

Download

Documents

Nadia

bahan dielektrik dan elektri, karakteristiknya, sifat optik, mekanik, kimiawi, macam - macamnya, bagian - bagiannya, fungsinya, perbedaannya
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
  • BAB I

    A. BAHAN ELEKTRIK

    Bahan elektrik adalah suatu material yang dapat dialiri ataupun

    mengalirkan arus listrik. Bahan elektrik sangat penting peranannya dalam

    dunia elektronika. Semua komponen elektronika tidak pernah lepas dari

    penggunaan bahan elektrik. Bahan elektrik memiliki beberapa sifat yang bisa

    disesuaikan dengan fungsi dan kegunaannya.

    Suatu bahan bisa berubah sifat tergantung jenis dari bahan tersebut. Sifat-

    sifat yang dimiliki bahan elektrik :

    a. Sifat Mekanis

    yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya gaya-

    gaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu

    tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa

    benda tersebut dibuat. Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada

    tiga kemungkinan yang akan terjadi pada suatu benda :

    Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda

    mempunyai sifat kenyal (elastis)

    Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini

    hanya sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar

    gaya yang bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat

    kekenyalan menjadi berkurang.

    Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar

    gaya yang bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat

    kekenyalan sama sekali hilang.

    b. Sifat Fisis

    Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana

    pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan

    bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya

    benda akan menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap,

  • maka kepadatan benda akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan

    sebagai berikut:

    Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan

    berkurang

    Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah

    Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan

    panas

    c. Sifat Kimia

    Berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat

    dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri

    dengan sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya

    reaksi kimia dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi.

    Sedangkan reaksi kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.

    Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu

    juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan

    berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik, bahan elektrik juga dapat

    dikelompokkan sebagai berikut:

    1. Bahan Penghantar (konduktor)

    2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)

    3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor)

    4. Bahan Magnetis.

    5. Bahan Super Konduktor.

    6. Bahan Nuklir.

    7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk

    sekering, dan sebagainya).

    8. Bahan Dielektrik

    a. Bahan Konduktor

    Konduktor adalah bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan

    arus listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang

    baik. Pada konduktor yang baik, jumlah elektron-elektron bebas, yaitu

  • elektron-elektron yang mempunyai energi cukup besar (terletak pada

    lintasan yang paling luar) adalah banyak dan bebas bergerak, misalkan

    pada bahan tembaga, setiap atom tembaga menyumbangkan 1 elektron

    bebas.

    Konduktor atau penghantar adalah zat atau bahan yang bersifat

    dapat menghantarkan energi , baik energi listrik maupun energi kalor, baik

    berupa zat padat, cair atau gas. Bahan-bahan yang bersifat konduktor ini

    biasanya digunakan untuk membuat alat-alat yang sifatnya membutuhkan

    kecepatan transfer energi. Konduktor adalah bahan yang didalamnya

    banyak terdapat elektron bebas mudah untuk bergerak . Tarikan antara

    elektron yang berada dalam edaran paling luar dan intinya sangat kecil,

    hingga dalam suhu normal pun ada satu atau lebih elektron yang terlepas

    dari atomnya. Elektron bebas ini bergerak secara acak dalam ruang di

    celah atom atom. Gerakan elektron elektron ini dinamakan bauran

    (difusi). Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang

    kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas, perak, tembaga,

    alumunium, zink, besi berturut- turut memiliki tahanan jenis semakin

    besar. Jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik. Tetapi karena

    sangat mahal harganya, maka secara ekonomis tembaga dan aluminium

    paling banyak digunakan.

    Untuk menjelaskan konduktivitas bahan sering kali menggunakan

    konsep pita energi. Ada dua pita energi, yaitu pita valensi dan pita

    konduksi. Pita valensi adalah pita energi yang mungkin diisi oleh elektron

    dari zat padat hingga komplit. Setiap pita memiliki 2N elektron dengan N

    adalah jumlah atom. Bila masih ada elektron yang tersisa akan mengisi

    pita konduksi. Pada suhu 0 derajat K, pita konduksi terisi sebagian untuk

    bahan konduktor, sedangkan untuk isolator dan semikonduktor tidak ada

    elektron yang mengisi pita konduksi. Perbedaannya terletak pada energi

    gap Eg yaitu selang energi antara pita konduksi minimum dan pita valensi

    maksimum. Pada bahan semikonduktor Eg~ 1 eV, sedang pada isolator

  • Eg~ 6 eV. Secara diagramatik pita energi dari isolator, semikonduktor dan

    konduktor ditunjukkan pada gambar berikut.

    Ket : P.V (Pita Valensi) = pita energi yang terisi oleh elektron valensi

    P.K (Pita Konduksi) = Pita yang diatas pita valensi yang akan terisi

    oleh elektron konduksi

    E.g (Celah Energi) = Energi yang diperukan elektron untuk loncat

    ke pita

    Gambar (a) : Struktur pita energi isolator, pita larangan yang besar ini

    memisahkan pita valensi yang terisi dengan pita konduksi yang kosong.

    Gambar (b) : Struktur pita energi , pita konduksi terisi sebagian, jika ada

    medan listrik luar elektron akan memperoleh tambahan energi sehingga

    berpindah yang berakibat timbul arus listrik.

    Gambar (c) : Struktur pita energi semikonduktor, Lebar pita relatif kecil,

    Eg 1 eV. Pada saat suhu naik, elektron pada pita valensi mampu

    berpindah ke pita konduksi. Karena adanya elektron di pita akibatnya

    bahan itu menjadi sedikit konduktif, karena itu disebut semikonduktor.

    1.1 Sifat Bahan Konduktor

    Sifat yang dimiliki konduktor ialah :

    a. Daya Hantar Listrik

    Daya Hantar Listrik, adalah kemampuan dari konduktor tersebut

    dalam menghantarkan arus listrik yang melewatinya. Arus yang

    mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari

  • penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari

    bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1

    mm2 pada temperatur 2000C dinamakan hambatan jenis. Besarnya

    hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan

    persamaan:

    = l

    dimana :

    R : Hambatan dalam penghantar

    : hambatan jenis bahan

    l : panjang penghantar

    A : luas penampang kawat penghantar.

    b. Koefisien Suhu Tahanan

    Koefisien Suhu Tahanan, adalah kestabilan dari konduktor dalam

    keadaan suhu yang berubah. perubahan suhu akan megakibatkan

    perubahan volume, dan otomatis akan mempengaruhi hambat jenis

    konduktor tersebut.

    c. Daya Hantar panas

    Daya Hantar panas, menunjukkan jumlah panas yang melalui

    lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan

    Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesinlistrik

    beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya

    hantar panas yang tinggi.

    d. Kekuatan Tegangan Tarik

    Kekuatan Tegangan Tarik, merupakan batas kemampuan dari suatu

    konduktor pada saat konduktor tersebut ditarik (energy potensial

    pegas).Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran

    diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan

    tersebut harus diketahui kekuatannya. Terutama menyangkut

    penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi.

  • 1.2 Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:

    a. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.

    b. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau

    aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam

    jenis lain, yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya.

    c. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang

    dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau

    pengelasan (welding).

    b. Bahan Isolator

    Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan

    perpindahan muatan listrik. Dalam bahan isolator valensi

    elektronnya terikat kuat pada atom-atomnya. Bahan-bahan ini

    dipergunakan dalam alat-alat elektronika sebagai isolator, atau

    penghambat mengalirnya arus listrik. Isolator berguna pula sebagai

    penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya

    arus mengalir ke luar atau atara konduktor. Istilah ini juga dipergunakan

    untuk menamai alat yang digunakan untuk menyangga kabel transmisi

    listrik pada tiang listrik.1

    Bahan-bahan yang bersifat isolator ialah bahan-bahan yang akan

    menghambat arus listrik bila dihubungkan dengan sumber tegangan.

    Bahan-bahan ini biasanya tidak dapat menghantarkan listrik. Beberapa

    bahan seperti kaca, kertas, kayu, atau teflon merupakan bahan isolator

    yang sangat bagus.2

    c. Semikonduktor

    Bahan semi konduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya

    antara konduktor dan isolator. Atom-atom bahan semi konduktor

    membentuk krristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan

    kovalen.

    1https://id.wikipedia.org/wiki/Isolator_listrik 2http://www.slideshare.net/Renha2jk/tugas-makalah-isolator

  • Semikonduktor mengandung beberapa elektron bebas, akan tetapi

    yang membuat semikonduktor bermanfaat adalah kehadiran dari lubang-

    lubang di dalamnya. Germanium (Ge) dan Silikon (Si) adalah contoh-

    contoh dari semikonduktor, yaitu bahan-bahan yang tidak merupakan

    konduktor maupun isolator. Gambar 1-3a memperlihatkan sebuah atom

    Germanium. Di pusatnya terdapat sebuah inti dengan 32 proton. Elektron-

    elektron yang mengelilinginya tersebar dalam berbagai lintasan mengikuti

    pola:

    2,8,18,...,2n2

    di mana n adalah nomor lintasan. Bilangan-bilangan tersebut

    merupakan jumlah elektron paling banyak yang dpaat berada dalam orbit

    ke-n. Dengan kata-kata lain, dalam lintasan yang pertama, maksimal

    terdapat 2 elektron, dalam yang kedua 8 elektron, dalam yang ketiga 18

    elektron dan seterusnya. Dalam Ge, empat elektron yang terakhir berada

    dalam lintasan yang paling luar, atau lintasan valensi.

    Dengan jalan yang sama, dalam sebuah atom silikon yang terasing

    terdapat 14 proton dalam intinya dan 14 elektron dalam orbit-orbitnya

    seperti diperlihatkan dalam Gambar 1-3b, lintasan yang pertama

    mengandung 2 elektron dan lintasan yang kedua mengandung 8 elektron.

    Empat elektron sisanya berada di lintasan yang paling luar.

    Seperti di atas, inti dan elektron-elektron dalam tidak penting untuk

    dibahas. Oleh karena itu kita memilih diagram-diagram yang

    dipersederhana dalam gambar-gambar 1-3c dan d untuk menggambarkan

  • atom-atom germanium dan silikon. Perhatikan bahwa keduanya

    mempunyai 4 elektron valensi. Dengan melihat pada elektron-elektron

    valensinya kita dapat membedakan sebuah semikonduktor dari konduktor.

    Apabila elektron valensinya delapan, bahan tersebut bersifat

    isolator. Oleh karena itu banyaknya elektron dalam lintasan valensi

    merupakan petunjuk untuk konduktivitas listrik. Konduktor-konduktor

    mempunyai satu elektron valensi, semikonduktor mempunyai empat

    elektron valensi dan isolator mempunyai delapan elektron valensi.

    Walaupun germaium masih digunakan untuk memproduksikan

    alat-alat semikonduktor, silikon paling banyak digunakan dalam industri. 3

    a. Kristal-Kristal

    Sampat kini kita telah membahas atom-atom terasing. Misalnya

    kita mengetahui sebah atom silikon mempunyai dua elektron dalam

    lintasan yang ertama, delapan dalam lintasan kedua dan emapat dalam

    lintasan ketiga. Ini benar untuk satu atom silikon yang terasing.

    Apabila lebih sari satu atom yang terlibat terjadi hal yang baru

    Apabila atom-atom isilikon bergabung membentuk zat padat,

    dengan senidirinya atom-atom itu membentk suatu pola yang teratur

    yang disebut kristal. Masing-masing atom silikon bergabung demikian

    sehingga lintasan valensinya mempunyai delapan elektron. Apabila

    sebuah atom mempunyai delapan elektron dalam lintasan valensinya,

    atom tersebut secara kimiawi menjadi stabil. (tak ada penjelasan yang

    sederhana, mengapa angka delapan ini begitu istimewa, selain

    mengatakan bahwa itu merupakan hukum alam. Fisika kuantum

    mencoba menggambarkan gejala ini dengan persamaan-persamaan

    matematik, akan tetapi akhirnya hal itu merupakan fisika

    eksperimental serpa dengan hukum gravitasi).

    Bagaimanakah sebuah atom silikon memeroleh delapan elektron

    dalam lintasan valensinya? Dengan menempatkan satu atom silikon di

    3Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkain

    Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Erlangga: Jakarta. Hal : 1-4

  • antara empat atom Si lainnya seperti diperlihatkan dalam Gambar 1-

    6a. Masing-masing atom yang betetangga bersama-sama memiliki

    sebuah elektron dengan atom yang di tengah. Dengan demikian atom

    yang di tengan memperoleh tambahan empat elektron, sehingga di

    lintasan valensinya seluruhnya terdapa 8 elektron. Sebenarnya

    elektron-elektron tersebut tidak lagi menjadi milik satu atom,

    elektron-elektron tersebut merupakan milik bersama dari atom-atom

    yang sebelah-menyebelah.

    b. Pita Energi

    Apabila atom-atom silikon bergabung membentuk padatan,

    lintasan sebuah elektron dipengaruhi oleh atom-atom yang berAda di

    dekatnya dan bergantung pada atom yang semula. Tentu saja muatan

    yang paling dekat mempunyai pengaruh yang paling besar, akan tetapi

    muatan yang jauh pun akan sedikit berpengaruh pada lintasan sebuah

    elektron. Dengan lain perkataan, tingkat energi dari masing-masing

    elektron dalam batas-batas tertentu ditentukan oleh setiap muatan

    dalam kristal. Oleh karena masing-masing elektron mempunyai

    tempat (posisi) yang berbeda dalam kristal, tiada dua elektron yang

    mempunyai muatan lingkungan yang sama. Hal ini sama saja dengan

    menyatakan, bahwa dalam kristal tak ada dua elektron yang

    mempunyai tingkatan energi yang sama. (dalam fisika Kuantum, ini

    dikenal sebagai prinsip Larangan Pauli).

  • Gambar 1-8a menunjukkan cara menggambarkan tingkatan-

    tingkatan energi silikon pada temperatur nol mutlak. Semua elektron

    yang bergerak dalam lintasan yang pertama mempunyai tingkatan-

    tingkatan energi yang sedikit berbeda, karena tidak ada dua elektron

    pun yang mempunyai muatan lengkungan elektron yang tepat sama.

    Oleh karena dalam lintasan pertama terdapat bermilyar-milyar

    elektron, tingkatan-tingkatan energi yang sedikit berbeda membentuk

    suatu gugusan atau pita. Demikian pula halnya dengan elektron yang

    bermilyar-milyar yang berada di lintasan yang kedua membentuk pita

    energi yang kedua, yang diperlihatkan dalam gambar. Selanjutnya

    semua elektron dari lintasan yang ketiga membentuk pita valensi.

    Perhatikan pita tingkatan energi yang baru dinamakan pita konduksi.

    Pita ini merupakan gugusan dari lintasan-lintasan yang diperkenankan

    yang berada di atas pita valesnsi. Pita ini adalah pita dari elektron-

    elektron bebas.

    Tiga pita energi yang pertama digambar itam, sebagai suatu cara

    untuk menandai pita yang penuh atau jenuh, yaitu semua pita-pita

    yang diperkenankan diisi sudah terisi. Apabila sebagian dari sebuah

    pita tidak dihitamkan itu berarti beberapa lintasan masih kosong,

    setara dengan tingkat-tingkat energi yang kosong. Oleh karena itu pita

    konduksi tidak dihitamkan. Pada temperatur nol mutlak, dalam kristal

    silikkon tak ada elektron bebas. Ruang yang kosong antara pita-pita

    energi disebut celah-celah terlarang (forbidden gaps) karena ruang

  • tersebut melukiskan lintasan-lintasan atau tingkatan-tingkatan energi.

    Apabila temperatur ambien lebih besar dari nol mutlak, energi

    termal yang masuk mematahkan beberapa ikatan kovalen, seperti

    dibahas di atas. Elektrin-elektron valensi ini masuk ke dalam pita

    konduksi (lihat Gambar 1-8b). Dengan jalan ini pita konduksi diisi

    elektron yang terbatas jumlahnya. Elektron-elektron ini bergerak

    dalam lintasan yang besar, sehingga elektron-elektron tersebut terikat

    lemah oleh atom-atom silikon. Ini berarti bahwa elektron-elektron

    tersebut dapat dengan mudah pindah dari satu atom ke atom yang

    berikutnya. Dalam Gambar 1-8b, setiap saat sebuah elektron masuk ke

    dalam pita konduksi, sebuah lubang terbentk dalam pita valensi. Oleh

    karena itu pita valensi tidak lagi penuh atau jenuh, sebuah lubang

    menggambarkan adanya lintasan yang dapat diisi. Makin tinggi

    temperatur ambien, makin banyak elektron yang dimasukkan ke

    dalam pita konduksi.

    Semikonduktor di bagi menjadi dua yaitu :

    1. Semikonduktor Intrinsik

    Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor yang

    tidak ataupun belum terkotori oleh atom-atom asing. Pada kristal

    semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan

    dengan 4 atom Si lainnya, perhatikan gambar 1.

  • Dalam pasal ini kita akan menelaah bagaimana sebuah kristal

    silikon intrinsik menghantarkan arus.

    Gambar 1-9a memperlihatkan sebuah kristal silikon intrinsik

    yang permukaan ujung-ujungnya dilapisi logam. Sumber tegangan luar

    menghasilkan medan listrik di antara kedua ujung kristal tersebut.

    Adakah arus mengalir? Hal ini bergantung pada temperatur. Apabila

    temperatur ambiennya nol mutlak, masing-masing atom silikon

    dikelilingi oleh delapan elektron dalam lintasan valensinya. Oleh karena

    ikatan kovalen, elektron-elektron valensi ini terikat erat dan tidak dapat

    meninggalkan atom. Oleh karena itu, walaupun ada tegangan yang

    dipasang, kristal silikon akan berperilaku sebagai sebuah silikon, oleh

    karena tidak ada elektron bebas yang dapat menghasilkan arus.

    Apabila temperatur naik di atas nol mutlak, atom-atom mulai

    bergetar, demikian sehingga elektron valensi dapat memperoleh energi

    cukup untuk melepaskan diri dari ikatan dan masuk ke dalam pita

    konduksi. Oleh karena adanya elektron bebas, akan timbul arus yang

    kecil. Makin tinggi temperatur tersebut, makin besar arusnya. Pada

    temperatur kamar arus tersebut sangat kecil dibandingkan dengan arus

    melalui konduktor. Oleh karena itu kristal silikon disebut

    semikonduktor.4

    Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0 derajat K bersifat

    sebagai isolator, dan pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor

    4 ibid. Hal: 6-12

  • karena adanya pembentukan pasangan-pasangan eletron bebas hole

    yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan. 5

    Jika Pada 0 derajat K pita valensi penuh, pita konduksi kosong

    sehingga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal

    pada suhu kamar ada lektron pada pita valensi yang energinya melebihi

    energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi

    menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita

    valensi. Kekosongan ini disebut hole (lubang) dan dianggap bermuatan

    positif sebesar muatan elektron. Dengan demikian dasar pita konduksi

    dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Sekarang,

    kedua pita terisi sebagian, dan dapat menimbulkan arus netto bila

    dikenakan medan listrik.6

    Gambar 1-9b menunjukkan bagian dari kristal silikon dari

    Gambar 1-9a. Misalkan energi termal menghasilkan sebuah elektron

    bebas dan sebuah lubang. Elektron bebas berada dalam lintasan yang

    besar sekali. Oleh karena sumber tegangan luar, elektron bebas

    5http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bahan%20Semikon

    duktor.pdf 6http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.pdf

  • mempunyai kecenderungan untuk pindah ke kanan. Gerakan tersebut

    terjadi dengan perindahan elektron dari satu lintasan besar ke lintasan

    besar yang ada di dekatnya. Dengan demikian elektron bebas berperan

    serta dalam seluruh pengaliran elektron di dalam kristal silikon. Oleh

    karena itu kita dapat membayangkan terjadinya tunak dari elektron-

    elektron dari kutub negatif ke kutub positif dari sumber tegangan dalam

    Gambar 1-9a.

    Sebuah konduktor hanya memiliki elekron bebas dan tidak

    mempunyai lubang sama sekali. Oleh karena itu muatan-muatan yan

    mengalir dalam konduktor hanyalah elektron-elektron bebas.

    Semikonduktor memiliki elektron-elektron dan lubang-lubang. Apabila

    tegangan luar dipasang kedua-duanya dapat dan akan mengalir. Hal ini

    menyebabkan semikonduktor berbeda denga konduktor.7

    Sebagai contoh; Si mempunyai celah energi 1eV ini adalah

    perkiraan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak

    10A (10-10 m). Maka dari itu, diperlukan medan 1 V /10-10 m untuk

    memggeraknan elektron diatas bagian pita valensi ke bagian bawah

    pita konduksi. Namun gradien sebesar itu kurang praktis.

    Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua

    pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga

    beberapa elektron yang melintasai celah energi dan hal ini

    menyebabkan terjadinya semi konduksi. Pada semi konduktor intrinsik,

    konduksi tersebut oleh disebabkan oleh proses intrinsik dari bahan

    adanya pengaruh tambahan. Kristal- kristal Si dan Ge murni adalah

    semi konduktor instrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari

    bagian teratas bagian pita valensi ke bagian pita thermal adalah

    penyebab konduksi.8

    2. Semikonduktor Ekstrinsik 7 Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkain Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Erlangga: Jakarta. Hal : 12 8 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang

  • Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom

    dari jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik.Proses

    penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebut

    pengotoran (doping). Dengan menambahkan atom pengotor

    (impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan berubah.9

    Pada semi konduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan

    setelah adanya penyuntikan bahan penambahan atau pengotoran dari

    luar. Proses penyuntikan bahan tersebut disebut dengan doping.

    Penambahan bahan tersebut kepada semi konduktor murni akan

    meningkatkan konduktivitas semi konduktor. Suatu bahan yang

    didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P, As

    atau Sb.

    Pada Gb. IV ditunjukkan kristal Si yang di doping dengan P.

    Pada gambar tersebut, 4 dari 5 elektron kelima dari atom P tidak

    mempunyai dengan atom semula dan dapat diasumsikan berputar

    mengelilngi inti hydrogen. Namun demikian, mempunyai sebuah

    perbedaan yang penting.

    Elektron dari phosphor adalah bergerak pada Medan listrik dari

    Kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H.

    Hal ini membawa akibat konstanta dielektrik dari Kristal dari

    perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar kira

    kira 80 A0 dibandingkan 0, 5 A0 dari orbit hydrogen. Ini dapat

    diartikan bahwa elektron ke- 5 tersebut bebas dari tingkat energinya

    9 http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.pdf

  • berdekatan dengan pita konduksi lebih cepat terlaksan dari pada pita

    eksistansi. Dari pita valensi kristal Si.Atom P dinamakan mendonorkan

    elektronnya pada semi konduktor. Tingkat energy dari elektron ke- 5

    dinamakan tingkat donor. Semi konduktor yang didonorkan dari

    elemen-elemen pada nomor kolom 4 (mendonorkan muatan negatif)

    disebut semi konduktor tipe n.

    Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu

    semikonduktor tipe-n, dan semikonduktor tipe-p.

    a. Semikonduktor tipe-n

    Semi konduktor tipe N termasuk dalam semi konduktor

    ekstrinsik (tak murni). Semi konduktor ekstrinsik adalah

    semikonduktor instrinsik yang mendapat pengotoran (doping) atom

    atom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan

    perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar

    antara 1 : 100 juta sampai dengan 1 : 1 juta.

    Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa

    muatan saja (Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk

    memperbesar daya hantar listrik. Semikonduktor tipe N ialah

    semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari semikonduktor

    intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti

    As, Pb, P.

    Begitu pula dalam Gb.VIII telah ditunjukkan semikonduktor

    tipe n.Disini tanda minus melambangkan elektron bebas,sedangkan

    tanda plus yang dilingkari itu melambangkan elektron

  • bebas,sedangkan tanda plus yang dilingkari itu melambangkan

    atom donor yang mengandung elektron bebas dalam

    orbitnya.Setiap elektron bebas bersama dengan atom donor

    bersangkutan merupakan satuan yang netral.Jika salah satu elektron

    tersebut meninggalkan orbitnya dari sekeliling atom donor dan

    pindah kepada orbit atom lain,maka atom donor itu menjadi ion

    positif. Berbeda dari elektron-elektron bebas, ion-ion positif ini

    tidak dapat bergerak leluasa karena terikat dalam struktur

    kristalnya10

    Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat

    kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-

    atom asli. Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak

    terikat dalam ikatan kovalen sehingga menjadi elektron bebas.

    Dengan demikian pada bahan ini jumlah elektron bebas akan

    meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga elektron

    bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang

    terbentuk akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas. Karena

    pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang

    elektron bebas bermuatan negatif, maka semikonduktor yang

    terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. Dalam hal ini N

    kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya.

    Jadi tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif.

    Semikonduktor ini tetap netral. Bahan tipe n itu bersifat netral

    karena mengandung tanda minus dan tanda plus yang berjumlah

    sama

    b. Semikonduktor tipe-p

    Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang

    dikotori dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau

    Ga. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat

    kecil, maka setiap atom pengotor hanya bervalensi 3 maka hanya

    10 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang

  • menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga ada

    kekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian

    pengotoran ini menyebabkan meningkatnya jumlah hole atau

    dengan kata lain hole sebagai pembawa muatan mayoritas. Sedang

    pembawa muatan moniritasnya adalah elektron bebas yang

    terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena

    pembawa muatan mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif

    maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor tipe P.

    dalam hal ini P kependekan dari kata positif, yakni jenis muatan

    mayoritasnya. Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan

    positif, tetapi semikonduktor ini tetap netral, seperti halnya

    semikonduktor tipe N. karena atom pengotor menyediakan

    kekurangan, maka disebut aseptor (atom aseptor). Hole mudah diisi

    oleh elektron dan elektron yang mengisi meninggalkan hole baru

    dan seterusnya sehingga ada gerakan hole. Setelah hole diisi oleh

    elektron, aseptor akan menjadi ion negatif.11

    Gb.VIII menunjukkan suatu semikonduktor tipe p. Masing-

    masing tanda plus merupakan lambang dari suatu

    lubang,sedangkan masing-masing tanda minus yang dilingkari itu

    merupakan representasi suatu atom akseptor yang mengandung

    lubang-lubang tersebut.Secara bersama lubang dan atom akseptor

    merupakan satuan yang netral.Namun bila suatu lubang

    11http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bahan%20Semiko

    nduktor.pdf

  • menghilang karena terjadi rekombinasi dengan suatu elektron,maka

    atom akseptor bersangkutan akan mengandung muatan negative

    yang berlebihan dan menjadi ion negative. Bahan tipe p tersebut

    bersifat netral karena jumlah tanda plus sama dengan jumlah tanda

    minus. 12

    12 Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang

  • BAB II

    B. BAHAN DIELEKTRIK

    Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat

    kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat,

    cair dan gas. Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat

    elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh

    pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan

    muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan

    dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam bahan dielektrik, semua

    elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu

    struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas,

    bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran

    massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu

    dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah

    di mana muatan tadi ditempat. Dielektik ada tiga jenis, yaitu padat (solid), cair

    (liquid) dan udara (gas). Setiap bahan dielektrik memiliki kekuatan dielektrik

    tertentu, yaitu tekanan elektrik yang dapat ditahannya dimana dielektrik

    tersebut tidak berubah sifat menjadi konduktif (tembus listrik).

    a. Fungsi Bahan Dielektrik

    1. Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada

    kapasitor.

    2. Untuk mengisolasi antara penghantar dengan pengahantar yang lain.

    Misalnya konduktor fasa dengan tanah.

    3. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang

    diisolasi.

    4. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.

    Tekanan yang diakibatkan oleh medan elektrik, gaya mekanik, thermal

    maupun kimia dapat terjadi secara serentak. Dengan kata lain, suatu

    bahan dielektrik dapat dikatakan ekonomis jika bahan dielektrik

    tersebut dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama.

  • b. Syarat Bahan Dielektrik

    1. Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi, agar dimensi sistem

    isolasi menjadi kecil dan pengunaan bahan dielektrik semakin sedikit,

    sehingga harganya semakin murah.

    2. Rugi-rugi dielektrik yang rendah, agar suhu bahan isolasi tidak

    melebihi batas yang ditentukan.

    3. Memiliki kekuatan kerak tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan

    elektrik permukaan.

    4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat

    arus pemuatan tidak melebihi yang diijinkan.

    5. Kemampuan menahan panas tinggi (daya tahan panas).

    6. Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.

    7. Konduktivitas panas yang tinggi.

    8. Koefisien muai panas yang rendah.Tidak mudah terbakar.

    9. Tahan terhadap busur api.

    10. Daya serap air yang rendah.

    Tetapi dalam prakteknya tidak ada dielektrik yang mampu

    memenuhi semua syarat-syarat diatas. Sehingga diperlukan kompromi

    tentang sifat-sifat apa saja yang lebih diutamakan.

    c. Karakteristik Bahan Dielektrik

    Ada beberapa sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui yaitu:

    1. Kekuatan dielektrik

    Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut

    dengan kekuatan dielektrik, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi

    yang dapat ditahan oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya

    menjadi konduktif. Apabila suatu dielektrik berubah sifatnya menjadi

    konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown).

    Kekuatan dielektrik ini disebut juga dengan kuat medan kritis.

    Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan

    minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut. Kekuatan

    dielektrik dari suatu bahan isolasi dinyatakan dengan tegangan

  • maksimum yang dapat ditahan oleh suatu medium tanpa merusaknya.

    Dengan kata lain, kekuatan dielektrik dinyatakan dengan gradien

    tegangan yang diperlukan supaya dielektrik itu mengalami tembus

    listrik.

    2. Konduktansi

    Apabila tegangan searah diberikan pada plat-plat sebuah kapasitor

    komersil dengan isolasi seperti mika, porselin atau kertas maka arus

    yang timbul tidak berhenti mengalir untuk waktu yang singkat, tetapi

    turun perlahan-lahan. Hal itu disebabkan oleh ketiga komponen arus

    yang terdapat di dalam dielektrik tersebut seperti diperlihatkan pada

    gambar 2.4. di bawah ini

    Arus pengisian (ip) terjadi selama waktu t1. Arus pengisian

    disebabkan oleh molekul-molekul yang bergerak cepat sehingga

    terpolarisasi dengan cepat pula. Kemudian arus berkurang perlahan-

    lahan selama t2, arus ini disebut arus absorpsi (ia). Arus absorpsi terjadi

    karena adanya gerakan-gerakan lambat (viscous) dari molekul-molekul

    dielektrik. Akhirnya arus mencapai nilai tertentu (ik), arus ini disebut

    arus konduksi. Arus ini tetap mengalir dengan konstan karena tahanan

    dielektirk tidak mencapai nilai tak hingga.

    3. Rugi-rugi dielektrik

    Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah

    satu ukuran penting terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan

    dielektrik tersusun atas molekul-molekul dan elektron-elektron di

    dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya. Ketika bahan tersebut

  • belum dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik tersebut

    masih belum beraturan (tidak tersusun rapi), seperti ditunjukkan pada

    Gambar 2.5.a.

    Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka

    muatan inti positif mengalami gaya yang searah dengan medan listrik

    dan elektron-elektron dalam molekul tersebut akan mengalami gaya

    listrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik tadi. Gaya

    listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari posisi semula,

    akibatnya molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah

    arahnya sejajar dengan arah medan listrik, seperti pada Gambar 2.5.b.

    Karena mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya,

    maka arah dipol juga berubah-ubah setiap saat (1800) terhadap posisi

    semula, seperti pada Gambar 2.5.c. Perubahan arah molekul akan

    menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan listrik yang

    berubah setiap saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi berulang-

    ulang. Gesekan ini akan menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-

    rugi dielektrik.

    4. Kekuatan kerak isolasi

    Bila suatu sistem isolasi diberikan tekanan dielektrik, maka arus

    akan mengalir pada permukaannya. Besar arus permukaan ini

    ditentukan tahanan permukaan sistem isolasi. Arus ini sering juga

    disebut dengan arus bocor arus yang menyelusuri sirip isolator. Mudah

    dipahami, bahwa besar arus tersebut dipengaruhi oleh kondisi

    sekitarnya, yaitu suhu, tekanan, kelembapan dan polusi. Secara teknis,

    sistem isolasi harus mampu memikul arus bocor tersebut tanpa

  • menimbulkan pemburukan pada permukaan sistem isolasi atau

    setidaknya pemburukan karena arus bocor tersebut dapat dibatasi.

    Arus bocor menimbulkan panas, dan hasil sampingannya adalah

    timbulnya penguraian pada bahan kimia yang membentuk permukaan

    sistem isolasi. Efek yang sangat nyata dari penguaraian ini adalah

    timbulnya kerak (jejak arus). Kerak dapat membentuk suatu lajur

    konduktif yang selanjutnya akan menimbulkan tekanan elektrik yang

    berlebihan pada sistem isolasi. Panas yang ditimbulkan arus bocor

    dapat juga menimbulkan erosi tanpa didahului oleh adanya kerak

    konduktif.

    Terjadinya kerak tidak terbatas hanya pada permukaan isolasi

    pasangan luar, tetapi dapat juga terjadi pada isolasi peralatan pasangan

    dalam yang terpasang pada tempat kotor dan lembab, juga pada isolasi

    yang terpasang dibahagian dalam peralatan itu sendiri. Semua kejadian

    itu dipengaruhi sifat material, bentuk dan kehalusan permukaan

    elektroda, juga oleh pengaruh luar.

    C. MATERIAL DIELEKTRIK

    Material dielektrik umumnya jenis kovalen dan ionik, mempunyai senjang

    energi yang besar antara pita valensi dan pita konduksi. Material ini

    mempunyai tahanan listrik tinggi dan aplikasi terpenting adalah sebagai

    isolator, yang menghalangi transfer muatan listrik, dan kapasitor yang

    menyimpan muatan listrik. Material dielektrik juga mempunyai sifat

    piezoelektrik dan feroelektrik.13

    Material dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa aliran arus.

    Dengan demikian, logam bukanlah dielektrik, tetapi banyak (tidak semua)

    keramik dan polimer digolongkan ke dalam kategori ini. Dalam keadaan yang

    paling sederhana, dielektrik merupakan isolator, memainkan peran inert di

    13 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi

    Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal: 207-209

  • dalam rangkaian listrik. Sifat utama yang harus dimiliki suatu isolator ialah

    kekuatan dielektrik. Isolator yang bagus memiliki nilai yang tinggi untuk

    keduanya, akan tetapi tidak ada korelasi antara keduanya karena pada akhirnya

    kegagalan listrik umumnya terjadi akibat adanya pengotor, retak, garit (flaw),

    dan ketaksempurnaan lainnya, dan bukan karakteristik bawaan material

    tersebut. Ini juga menjelaskan mengapa kekuatan dielektrik merupakan fungsi

    ketebalan.

    Material material dielektrik tidak mengahantarkan arus listrik. Namun

    demikian, material-material dielektrik tersebut tidak sepenuhnya inert terhadap

    medan listrik. Elektron dan nukleus-nukleus atom mengandung proton akan

    menggeser posisi mereka sebagai tanggapan terhadap medan ini. Sebagai

    contoh posisi rata-rata elektron akan terletak pada sisi atom yang lebih dekat ke

    elektroda positif, sementara nukleus atomiknya sendiri yang mengandung

    proton, akan sedikit bergeser ke arah elektron negative. Kita menyebut

    pergeseran ini sebagai polarisasi.14

    Tabel 1.1 sifat sifat Isolator Listrik

    14 Lawrence H. Van Vlack, Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material, (Jakarta : Erlangga, 2001), hlm 478

  • Keadaan ini timbul oleh beberapa kemungkinan, mekanisme elektronik,

    ionic atau molekuler.

    1. Polarisasi Elektronik

    Pada polarisasi elektronik, awan elektronik suatu atom digeser

    terhadap inti ion bermuatan positif dan membentuk dipole dengan momen

    e.15 Karena polarisasi elektronik berukuran kecil, elektron-elektron

    memiliki frekuensi alami yang sangat tinggi (~1016 Hz) pada saat elektron-

    elektron ini membentuk gelombang-tegaknya di sekeliling atom atom itu.

    Dengan demikian, polarisasi ini dapat terjadi tidak saja dalam rangkaian 60

    Hz dan pada frekuensi radio, tetapi juga sebagai tanggapan terhadap

    frekuensi cahaya (~1015 Hz).16

    2. Polarisasi Ionik

    Pada padatan ionik yang berada dalam medan listrik, ikatan antar

    ion mengalami deformasi elastik dan bergantung pada arah medan, jarak

    antara anion-kanion mengecil atau membesar. Dipole terinduksi ini

    mengahasilkan polarisasi yang dapat menimbulkan dimensi.

    3. Polarisasi Molekuler

    Polarisasi molekuler terjadi dalam material molekuler. Material

    seperti ini disebut polar dan pengaruh medan pada material ini akan

    mengubah polarisasi dengan perpindahan atom dan dengan demikian

    terjadi perubahan medan pada momen dipol (yaitu kemampuan polarisasi

    15 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi

    Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 217

    16 Lawrence H. Van Vlack, op. Cit. hlm. 479

  • atomic) atau molekul secara keseluruhan mengalami rotasi sehingga searah

    dengan medan yang diterapkan (yaitu kemampuan polarisasi orientasi).

    Apabila medan di hilangkan, dipol tersebut tetap terarah, dan terjadi

    polarisasi permanen. Dipol permanen dijumpai pada molekul asimetris

    seperti H2O, polimer organic dengan sturktur asimetri Kristal keramik

    tanpa pusat simetri.17

    4. Perhitungan Polarisasi

    1. Momen Dipol

    Momen dipol listrik dari suatu atom molekul (atau atom atau sel

    satuan) yang terpolarisasi merupakan hasilkali antara muatan Q dan

    jarak antara pusat muatan-positif dan pusat muatan-negatif:

    =

    2. Konstanta Dielektrik

    Apabila kedua permukaan plastik disapu bahan isolator, kemudian

    di atas bahan isolator diempatkan plat logam paralel satu sama

    lainnya, dan jika kedua plat diberikan medan listrik tetap terjadi tarik

    menarik antara keduanya. Medan listrik yang terlindung oleh plat

    17 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi

    Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 219

  • logam dapat menembus siolator. Bahan isolator seperti itu disebut

    bahan dielektrik.18

    Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif adalah sebuah

    konstanta yang melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam

    suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta ini merupakan

    perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika

    diberi sebauh potensial, relatif terhadap ruang hampa, yang dapat

    ditulis secara sistematis :

    = 0

    Ket : = permitivitas statis bahan

    0 = permitivitas ruang hampa

    Suatu medan listrik menyebabkan terjadinya polarisasi elektron dan

    polarisasi ionik dan dapat mengorientasikan molekul yang terpolasasi

    permanen. Sebaliknya, polarisasi akan menyebabkan terjadinya kenaikan

    densitas muatan pada suatu kapasitor. Kita dapat melihat ini dengan cara

    memisahkan dua pelat kapasitor sejauh d dan memberikan tegangan E di

    antara kedua pelat tersebut (Gambar 13-2.1). Medan listriknya, , adalah

    gradient tegangannya:

    =

    dalam keadaan ini, apabila tidak terdapat apa-apa di antara kedua pelat

    itu (Gambar 13-2.1 a), densitas muatan, 0 pada setiap pelat

    berbanding lurus terhadap medan , dengan konstanta kesebandingan

    0sebesar 8,85 x 1012 C/V. m:

    = 0 = (8,85 1012

    . )

    Dengan demikian, jika gradient tegangan 1 V/m, akan terdapat

    8,85 1012 /2 pada elektroda. Dengan setiap elektron

    18 Christian Ghartsen, LISTRIK MAGNET DAN OPTIK, (Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa), hlm 35

  • yang membawa muatan sebesar 0,16 x 10-18 C, densitas elektron pada

    elektrodanya akan sama dengan 55 x 106 m2 (atau 55 mm2). Gariden

    tegangan biasanya jauh lebih tinggi pada rangkaian listrik, sehingga

    densitas muatannya jauh lebih besar.

    Jika sebarang material ditempatkan di antara pelat-pelat kapasitor

    pada gambar 13-2.1 (b), densitas muatan pada pelat akan naik akibat

    polarisasi yang terjadi di dalam materialnya. Sebagai akibatnya,

    pergesaran muatan-negatif kea rah atas dalam material itu (dan

    pergeseran muatan-positif ke arah bawah) akan menaikkan nilai D

    pada persamaan (13-2.4) sebesar faktor konstan, k.

    = 0

    Faktor ini, yang disebut konstanta dielektrik relative, merupakan

    rasio

    0, densitas muatan dengan dan tanpa adanya material pembuat

    jarak pada gambar 13-2.1. kontanta dielektrik relatif merupakan salah

    satu sifat dari material yang digunakan sebagai dielektrik. Tabel 13-

    2.1 memuat kontanta dielektrik relatif untuk sejumlah dielektrik yang

    lazim. Perhatikan bahwa dieleketrik- dielektrik ini dapat saja peka

    terhadap suhu dan terhadap frekuensi. Kita juga dapat memandang

    polarisasi sebagai densitas muatan tambahan yang berasal dari

    dielektrik,

    = 0

    Dan dari dua persamaan sebelumnya maka :

    = ( 1)0

    GAMBAR 13-2.1

  • Tabel Konstanta konstanta Dielektrik :

    a. Dielektrik Keramik

    1. Material piezoelektrik

    Apabila material tertentu diberi tegangan, terjadi polarisasi listrik

    sebanding dengan besar tegangan yang diterapkan. Efek terkenal ini

    disebut efek piezoelektrik. Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik

    terbentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat ini medan

    listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan

    menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi

    dengan molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi.

    Material yang mempunyai sifat ini meliputi kuarsa, BaTiO3, Pb(Ti,

    Zr)O3 PZT dan Na atau LiNbO3. Konstanta piezoelektrik dimanfaatkan

    untuk kuarsa yang menghubungkan regangan dengan kekuatan medan

    ( = ) sama dengan 2,3 x 10-12 mV-1 sedang untuk PZT sama

  • dengan 250 x 10-12 mV-1. Efek piezoelektrik dimanfaatkan pada

    transduser yang mengubah gelombang suara menjadi medan listrik atau

    sebaliknya. Aplikasi mulai dari mikrofon, pada alat ini dihasilkan

    tegangan senilai beberapa milivolt, hingga perangkat militer yang

    menghasilkan beberapa kilovolt dan dari pergeseran kecil berukuran

    sub-nanometer pada cermin terdeformasi secara piezoelektrik hingga

    deformasi-besar pada traduser daya.

    Untuk lebih memahami lihatlah gambar skema material

    piezoelektrik berikut :

    Dari gambar di atas dapat terlihat :

    A. Sebelum diberi tekanan atau medam listrik

    B. Ketika diberi medan listrik, bahan memanjanag

    C. Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek

    D. Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar

    terjadi

    2. Material Pieroelektrik

    Beberapa material yang mempunyai simetri Kristal rendah,

    diketahui bermuatan listrik apabila dipanaskan, hal ini disebut

    piroelektri. Karena simetrisnya rendah, letak pusat gravitasi muatan

    positif dan negatif di sel satuan terpisah sehingga terbentuk momen

    dipol permanen. Selain itu, pengaruhnya dipol individu menghasilkan

    dipol menyeluruh yang tidak sama dengan nol untuk Kristal tersebut.

    Material piroelektrik digunakan sebagai detector radiasi

    elektromagnetik untuk rentang yang lebar mulai dari ultraviolet hingga

  • kelompok mikro, pada radiometer dan thermometer yang peka

    terhadap perubahan temperature yang kecil yaitu 6 x 10-6 oC. Telah

    dikembangkan pula Tabung kamera TV piroelektrik untuk pembuatan

    citra inframerah gelombang-panjang yang sangat panjang dan sangat

    beramanfaat pula untuk penginderaan dalam asap. Material tipikal

    adalah strontium barium niobat dan PZT dengan tambahan Pb2FeNbO6

    untuk memperlebar rentang temperature operasi.

    3. Material Feroelektrik

    Feroelektrik adalah gejala terjadinya polarisasi listrik spontan

    tanpa bahan tersebut menerima medan listrik dari luar bahan.

    Feroelektrik merupakan kelompok material dielektrik dengan

    polarisasi listrik internal yang lebar P (C/m2) yang dapat diubah

    menggunakan medan listrik yang sesuai. Material Feroelektrik

    dicirikan oleh kemampuan untuk membentuk kurva histeris yaitu kurva

    yang menghubungkan antara medan listrik dan polarisasi. Polarisasi

    terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari

    luar dan simetri pada stuktur kristalografi di dalam sel satuan.

    Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik,

    maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan

    menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang

    menyebabkan polarisasi. Momen dipol Pe dari molekul (atom

    atau sel satuan) yang terpolarisasi adalah hasil kali muatan Q

    dan jarak de antara pusat muatan positif dan negatif (Van, 1989)

    Pe = Qd

    Dengan Pe adalah momen dipol listrik (coulomb meter), Q

    adalah muatan (coulomb), de adalah jarak antar muatan (meter).

    Nilai Polarisasi listrik spontan (Ps) dihitung berdasarkan persamaan

    sebagai berikut:

    Ps = ( Q de) /(V) Dengan ( Q de) adalah jumlah momen dipol

    dan V adalah volume unit sel. Material ferroelektrik dicirikan

    mempunyai kemampuan untuk membentuk kurva histersi yaitu kurva

  • yang menghubungkan antara medan listrik dan polarisasi. Kurva

    hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)

    ditunjukkan pada Gambar berikut :

    Material feroelektrik adalah material yang tetap mempertahankan

    polarisasi bersih meskipun medan ditiadakan dan hal ini dapat

    dijelaskan dengan mengacu pengarahan residual dari dipol permanen.

    Tidak semua material yang mempunyai dipol permanen menampilkan

    perilaku feroelektrik karena dipol tersebut akan berubah menjadi

    susunan acak apabila medan ditiadakan sehingga tidak ada polarisasi

    bersih yang tertinggal. Feroelektrik termasuk golongan yang sama

    dengan piroelektrik; pada material feroelektrik arah polarisasi spontan

    dapat diputar balik oleh medan listrik (gambar) sedangkan hal ini tidak

    mungkin untuk piroelektrik. Efek ini dapat diperlihatkan dengan

    penjelasan yang sama untuk loop hesteris magnetic B-H (lihat

    gambar). Dengan meningkatnya medan positif, semua dipol terarahkan

    dan menghasilkan polarisasi jenuh. Bila medan ditiadakan tersisa

    polarisasi remanens karena ada interaksi kopling antar dipol.

    Material mengalami polarisasi permanen sehingga perlu dterapkan

    medan koersif untuk mengacak lagi arah dipol dan menghilangkan

    polarisasi.

  • Sama seperti feromagnetik, feroelektriksitas bergantung pada

    temperatur dan lenyap di atas temperatur yang ekivalen dengan

    temperatur Curie. Feroelektirk BaTiO3 lenyap pada 120oC ketika

    terjadi perubahan struktur material. Analogi dengan magnetisme juga

    terdapat analogi dengan feroelektrik dengan untuk anti

    feromagnetisme dan ferimagnetisme. Sebagai contoh NaNbO3

    mempunyai sebesar 640oC dan dipol listrik antiparel dengan momen

    yang tidak sama yang merupakan karakteristik material ferielektrik.

    4. Aplikasi Dielektrik

    1. Kapasitor dan Isolator

    Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang

    mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi ~1011 V

    A-1 m untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor.

    Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permivitas ,

    dan permitivitas relative atau konstanta dielektrik adalah rasio antara

    permitivitas material dan vakum 0. Nilai yang tinggi penting untuk

    kapasitor, disamping itu juga diperlukan kekuatan dielektrik tinggi atau

    tegangan tembus tinggi. Nilai konstanta dielektrik untuk vakum, air,

    poletilen, gelas pyrex, alumina, dan barium titanat masing-masing

    adalah 1; 78,3; 2,3; 4; 6,5 dan 3000.

    Struktur merupakan ciri perilaku dielektrik yang penting. polimer

    mirip gelas dan material kristalin mempunyai nilai yang lebih rendah

    dibandingkan dengan material amorf. Polimer dengan rantai asimetris

    mempunyai yang lebih tinggi karena kekuatan dipol molekuler

    terkait; jadi polivinil klorida (PVC) dan polistiren (PS) mempunyai

    yang lebih besar daripada polietilen (PE). BaTiO3 mempunyai nilai

    yang sangat tinggi karena sturktur yang asimetris. Respon terhadap

    frekuensi juga penting untuk aplikasi dielektrik, bergantung pada

    mekanisme polarisasi. Material yang mempunyai dipol elektronik dan

    ionik mempunyai respon cepat terhadap frekuensi 1013-1016 Hz tetapi

    respon padatan polarisasi molekuler lebih lambat, karena di sini

  • diperlukan pengaturan kembali dari kelompok atom. Frekuensi juga

    penting untuk mengendalikan kehilangan dielektrik akibat panas dan

    kehilangan ini meningkat apabila salah satu kontribusi terhadap

    polarisasi mengalami hambatan. Perilaku ini biasa terjadi pada

    pemanasan perekat polimer oleh gelombang mikro; pemanasan

    setempat dari perekat terjadi karena kehilangan dielektrik dan memicu

    reaksi termoset. Untuk mencapai peningkatan sedang, tegangan dan

    temperature dinaikkan sehingga terjadi peningkatan kemampuan

    polarisasi yang menghasilkan kontanta dielektrik lebih tinggi.

    Sekarang kapasitor dielektrik terdiri dari gabungan material dengan

    ketergantungan temperature yang berbeda untuk menghasilkan produk

    akhir dengan variasi temperatur linear yang kecil. Material tersebut

    adalahtitanat Ba, titanat Ca, titanat Mg, titanat Sr dan logam tanah

    jarang.

    Material untuk isolator harus memiliki tahanan listrik tinggi,

    kekuatan dielektrik tinggi untuk mencegah tembusnya tegangan tinggi,

    kehilangan dielketrik yang rendah untuk mencegah pemanasan dan

    konstanta dielektrik kecil untuk menghalangi polarisasi dan

    penyimpanan muatan. Material yang semakin popular adalah

    alumunium, alumunium nitrada, keramik gelas, porselin setatit, dan

    gelas.19

    19 Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi

    Keenam). Jakarta : Erlangga. Hal : 210

  • BAB III

    PENUTUP

    A. Kesimpulan

    Berdasarkan penjabaran di atas dapat disimpulkan bahwa:

    1. Bahan elektrik adalah suatu material yang dapat dialiri ataupun mengalirkan

    arus listrik.

    2. Bahan konduktor, isolator, semikonduktor dan dielektrik merupan bagian dari

    bahan elektrik.

    3. Konduktor adalah bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan arus

    listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang baik.

    4. Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan

    muatan listrik

    5. Semikonduktor yaitu bahan-bahan yang bukan merupakan konduktor dan bukan

    isolator.

    6. Semikonduktor dibagi menjadi dua yaitu semikonduktor intrinsik dan

    semikonduktor ekstrinsik

    7. Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat

    kecil atau bahkan hampir tidak ada.

    8. Material dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa aliran arus.

    Material dielektrik juga mempunyai sifat piezoelektrik dan feroelektrik,

    aplikasi dari dielektrik yaitu kapasitor dan isolator.

  • DAFTAR PUSTAKA

    Ghartsen Christian, LISTRIK MAGNET DAN OPTIK. Jakarta: Pusat Pembinaan

    dan Pengembangan Bahasa

    Hertanti, Erina. 2014. Elektro 4 (Power Point). Jakarta : Erlangga

    Malvino. 1985. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan

    Rangkain Terpadu (Edisi Keempat Terjemahan). Jakarta : Erlangga

    Smallman, R. E dan R. J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa

    Material (Edisi Keenam). Jakarta : Erlangga

    Vlack Lawrence H. Van. 2001. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material.

    Jakarta : Erlangga

    Chapter II. Pdf diakses pada 10 Oktober 2015 pukul 18:50

    https://id.wikipedia.org/wiki/Isolator_listrik diakses pada 10 Oktober 2015 pukul 11:35

    WIB

    http://www.slideshare.net/Renha2jk/tugas-makalah-isolator diakses pada 10 Oktober

    2015 pukul 11:37

    http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Jumadi,%20M.Pd.,%20Dr./Bah

    an%20Semikonduktor.pdf diakses pada 10 september 2015 pukul 14:32

    http://elhanif.staff.fkip.uns.ac.id/files/2012/11/8.KRISTAL_SEMIKONDUKTOR.p

    df diakses pada 10 september 2015 pukul 14:45

    Robi, Ramdhani. 2012. Semikonduktor (Pdf). Malang: Universitas Negeri Malang

    diakses pada 2 Oktober 2015 pukul 14:40