Pengantar Elektronika 2011 ILHAM, S.Pd.

ELEKTRONIKA Pengantar : Dalam kehidupan sehari-hari kita banyak menemui suatu alat yang mengadopsi elektronika sebagai basis teknologinya contoh ; Dirumah, kita sering melihat televisi, mendengarkan lagu melalui tape atau CD, mendengarkan radio, berkomunikasi dengan telephone. Dikantor kita menggunakan komputer, mencetak dengan printer, mengirim pesan dengan faximile, berkomunikasi dengan telephone. Dipabrik kita memakai alat deteksi, mengoperasikan robot perakit, dan sebagainya. Bahkan dijalan raya kita bisa melihat lampu lalu-lintas, lampu penerangan jalan yang secara otomatis hidup bila malam tiba, atau papan reklame yang terlihat indah berkelap-kelip dan masih banyak contoh yang lainnya. Dari semua uraian diatas kita dapat membuktikan bahwa pada zaman sekarang ini kita tidak akan lepas dari perangkat yang menggunakan elektronika sebagai dasar teknologinya. Alat-alat yang menggunakan dasar kerja elektronika seperti diatas biasanya disebut sebagai peralatan elektronik (electronic devices)

Peralatan elektronik (Electronic Device)

Pengertian Elektronika merupakan ilmu yang mempelajari alat listrik arus lemah yang dioperasikan dengan cara mengontrol aliran elektron atau partikel bermuatan listrik dalam suatu alat seperti komputer, peralatan elektronik, termokopel, semikonduktor, dan lain sebagainya. Ilmu yang mempelajari alat-alat seperti ini merupakan cabang dari ilmu fisika, sementara bentuk desain dan pembuatan sirkuit elektroniknya adalah bagian dari teknik elektro, teknik komputer, dan ilmu/ teknik elektronika dan instrumentasi.

Sejarah Perkembangan Revolusi besar-besaran terhadap elektronika terjadi sekitar tahun 1960-an, dimana saat itu mulai ditemukan suatu alat elektronika yang dinamakan Transistor, sehingga dimungkinkan untuk membuat suatu alat dengan ukuran yang kecil dimana sebelumnya alat-alat tersebut masih menggunakan tabung-tabung facum yang ukurannya besar serta mengkonsumsi listrik yang besar Hanya dalam kurun waktu 10 tahun sejak ditemukan nya transistor, ditemukan sebuah rangkaian terintegrasi yang dikenal dengan IC (Integrated Circuit) merupakan sebuah rangkaian terpadu yang berisi puluhan bahkan jutaan transistor di dalamnya. Sehingga kita bisa melihat sebuah perangkat elektronika semakin kecil bentuknya tetapi semakin banyak fungsinya sebagai contoh telephone genggam ( Handphone ) yang anda pakai saat ini dengan telephone genggam yang anda pakai beberapa tahun yang lalu. semua itu berkat revolusi Silikon sebagai bahan dasar pembuatan Transistor dan IC atau CHIP.

Komponen Elektronika Elektronika mempunyai 2 komponen diantaranya yaitu : 1. Komponen Pasif Komponen pasif merupakan komponen yang dapat bekerja tanpa sumber tegangan. Komponen pasif terdiri dari Hambatan atau tahanan, kapasitor atau kondensator, induktor atau kumparan dan transformator. 2. Komponen Aktif Komponen aktif merupakan komponen yang tidak dapat bekerja tanpa adanya sumber tegangan. Komponen aktif terdiri dari dioda dan transistor.

TEORI DASAR ELEKTRONIKA 1 TEORI DASAR ELEKTRONIKA

ATOM Atom adalah satuan yang amat kecil dalam setiap bahan yang ada di sekitar kita. Atom terdiri atas tiga jenis partikel subatom: elektron, yang memiliki muatan negatif; proton, yang memiliki muatan positif; neutron, yang tidak bermuatan.

Gbr. 1.1 Gambar Model Atom Setiap unsur adalah unik yang dibedakan oleh jumlah proton yang terdapat dalam atom dari unsur tersebut. Setiap atom memiliki jumlah elektron yang sama dengan jumlah proton; bila ada perbedaan atom tersebut disebut ion.

Inti Atom Pusat dari atom disebut inti atom atau nukleus. Inti atom terdiri dari proton dan neutron. Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom, dan menentukan berupa elemen apakah atom itu Ukuran inti atom jauh lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri, dan hampir sebagian besar tersusun dari proton dan neutron, hampir sama sekali tidak ada sumbangan dari elektron.

Lanjutan : Proton dan neutron memiliki massa yang hampir sama, dan jumlah dari kedua massa tersebut disebut nomor massa, dan beratnya hampir sama. Massa dari elektron sangat kecil dan tidak menyumbang banyak kepada massa atom. Jumlah proton dan neutron menentukan tipe dari nukleus atau inti atom. Proton dan neutron hampir memiliki massa yang sama, dan kombinasi jumlah, jumlah massa, rata-rata sama dengan massa atomik sebuah atom. Kombinasi massa dari elektron sangat kecil secara perbandingan terhadap massa nukleus, di karenakan berat dari proton dan neutron hampir 2000 kali massa elektron.

Neutron Neutron atau netron adalah partikel subatomik yang tidak bermuatan (netral) dan memiliki massa 1.6749 × 10 −27 kg, sedikit lebih berat dari proton. Inti atom dari kebanyakan atom terdiri dari proton dan neutron. Perbedaan utama neutron dengan partikel subatomik lainya adalah mereka tidak bermuatan. Sifat neutron ini membuat penemuannya lebih terbelakang, dan sangat menembus, membuatnya sulit diamati secara langsung dan membuatnya sangat penting sebagai agen dalam perubahan nuklir.

Proton Dalam fisika, proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif sebesar 1.6 × 10 −19 coulomb dan massa 1.6726231 × 10 −27 kg, atau sekitar 1800 kali massa sebuah elektron. Suatu atom biasanya terdiri dari sejumlah proton dan neutron yang berada di bagian inti (tengah) atom, dan sejumlah elektron yang mengelilingi inti tersebut. Dalam atom bermuatan netral, banyaknya proton akan sama dengan jumlah elektronnya. Banyaknya proton di bagian inti biasanya akan menentukan sifat kimia suatu atom. Inti atom sering dikenal juga dengan istilah nuklei, nukleus, atau nukleon (bhs Inggris: nucleon), dan reaksi yang terjadi atau berkaitan dengan inti atom ini disebut reaksi nuklir.

Elektron Elektron adalah partikel subatomik. Memiliki muatan listrik negatif sebesar - 1.6 × 10 −19 coulomb, dan massanya 9.10 × 10 −31 kg. Elektron umumnya ditulis sebagai e-. Elektron memiliki partikel lawan yang dikenal sebagai positron, yang identik dengan dirinya namun bermuatan positif. Atom tersusun dari inti berupa proton dan neutron serta elektron-elektron yang mengelilingi inti tadi. Elektron sangat ringan jika dibandingkan dengan proton dan neutron. Sebutir proton sekitar 1800 kali lebih berat daripada elektron.

Satuan energi eV (elektron volt) Satuan Joule terlalu besar untuk digunakan dalam perhitungan energi elektron. Untuk itu digunakan satuan lain, yaitu : eV (elektron Volt). Dalam pembahasan mengenai energi yang terlibat dalam peralatan elektronik, suatu satuan kerja atau energi, disebut elektron volt (eV) didefinisikan sebagai berikut: 1 eV = 1.6 × 10 −𝟏𝟗 Joule

Lanjutan : entu saja setiap jenis energi, apakah energi tersebut energi listrik, mekanis, termal, dan sebagainya dapat dinyatakan dalam elektron volt. Nama satuan elektron volt, disebabkan oleh karena elektron yang mengalami penurunan potensial 1 volt, energi kinetiknya akan naik dengan penurunan energi potensial, atau qV = (1,60 x 10-19C)(1V) = 1,60 x 10-19J = 1 eV

SIFAT ATOM Postulat Bohr Tidak semua energi menurut mekanika klasik dapat terjadi, atom hanya dapat memiliki energi-energi diskrit tertentu saja. Elektron, selama berada dalam keadaan bersesuaian dengan energi diskrit ini, tidak memancarkan radiasi dan dikatakan bahwa elektron tersebut berada dalam keadaan stasioner atau keadaan tidak memancar. Dalam perpindahan dari suatu keadaan stasioner dengan energi W2 ke keadaan stasioner yang lain dengan energi W1, radiasi akan dipancarkan. Frekuensi energi yang dipancarkan ini diberikan diberikan oleh dimana h= konstanta plank dalam joule per second, nilai-nilai w diberikan dalam joule dan f dalam Hertz (getaran per detik)

Lanjutan Keadaan stasioner ditentukan oleh persaratan, bahwa momentum sudut elektron dalam keadaan ini “dikuantisasikan”, yaitu momentum sudut tersebut merupakan kelipatan dari h/2π. dimana n suatu bilangan bulat r jarak dari inti (dalam meter) m massa dalam kilogram

Gbr. 1.2 Lima tingkatan energi terendah dan tingkatan ionisasi dari hidrogen, garis spektral dinyatakan dalam satuan angstrom

Lanjutan Istilah foton menunjukkan banyak energi yang dipancarkan, yang sama dengan konstanta h kali frekuensi. Sifat gelombang elektromagnet yang terkuantisasi ini mula-mula ditemukan oleh planck pada tahun 1901. Pemancaran cahaya oleh atom, merupakan suatu proses yang discontinyu artinya, Atom hanya akan memancarkan cahaya bila ia memuat perpindahan dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain yang lebih rendah. Dalam transisi ini atom memancarkan energi yang tertentu besarnya dengan suatu frekuensi tertentu, yaitu satu foton cahaya energinya hf . Garis-garis spektra. Panah-panah dalam Gambar diatas menggambarkan 6 buah transisi antara keadaan-keadaan stasioner. Bilangan-bilangan yang berkaitan dengan panah-panah tersebut menunjukkan panjang gelombang pemancaran. Misalnya, garis ultraviolet 1.216 Å dipancarkan apabila atom hidrogen turun dari tingkatan tereksitasi yang pertama, n = 2, ke keadaan normal n = 1.

Lanjutan Suatu cara yang penting untuk mengeksitasikan atom ke suatu tingkatan tereksitasi, adalah dengan memancarkan radiasi pada suatu gas. Cara ini disebut dengan fotoeksitasi. Sebuah atom dapat menyerap foton yang frekuensinya f, dan oleh karenanya pindah dari tingkatan energi W1 ke tingkat W2 yang lebih tinggi, dimana W2 = W1 + hf. Suatu ciri yang sangat penting dari eksitasi dengan penangkapan foton adalah, bahwa foton tersebut tidak akan diserap, kecuali apabila energinya tepat sama dengan selisih energi dari 2 keadaan stasioner atom yang menangkap foton tersebut. Misal atom hidrogen dalam keadaan normal, akan dinaikkan ketingkat eksitasi pertama, dengan menggunakan pemancaran dengan panjang gelombang 1.216 Å (yang merupakan spektrum di daerah ultraviolet).

Lanjutan Fotoionisasi. Apabila frekuensi gelombang yang menumbuk atom cukup besar, ada kemungkinan ia memiliki cukup energi untuk mengionkan atom tersebut. Foton akan menghilangkan bersamaan dengan munculnya elektron dengan ion positif. Berbeda dengan yang terjadi pada fotoeksitasi, dalam ionisasi energi foton tidak usah tepat sama dengan energi ionisasi dari atom yang bersangkutan. Ia memerlukan energi sekurang-kurangnya sama dengan energi ionisasi. Apabila foton memiliki energi lebih besar daripada energi ionisasi, kelebihan energi tersebut akan muncul sebagai energi kinetik dari elektron yang dilepaskan dan dari ion positif.

STRUKTUR ELEKTRONIK DARI ELEMENT Larangan Pauli. Susunan berkala dari unsur-unsur dapat dijelaskan dengan hukum yang diketemukan Pauli tahun 1925. Hukum tersebut mengatakan: “Tiada dua elektron dalam suatu sistem elektron dapat mempunyai kumpulan bilangan kuantum n, l, m1 dan ms yang sama.” Pernyataan, bahwa tiada dua elektron dapat satu keadaan kuantum yang sama dikenal sebagai prinsip larangan pauli Tabel :Konfigurasi Elektronik dalam golongan IV A

TEORI PITA ENERGI KRISTAL Apabila jarak atom dalam kristal diperkecil (bergerak dari kanan ke kiri dalam Gambar 1.3a) atom akan mengeluarkan gaya listrik pada lingkungannya. Oleh karena interaksi ini, fungsi gelombang atom-atom akan bertumpang tindih (overlap), dan kristal tersebut akan merupakan suatu sistem elektronik yang harus tunduk pada prinsip larangan pauli. Oleh karena itu, 2N keadaan s yang berimpit sekarang harus menyebar. Jarak antar tingkat energi ini kecil, akan tetapi oleh karena N besar sekali (yaitu ~ 1023 cm-3), pelebaran jarak antara energi maksimum dan minimum dapat beberapa eV bila jarak antara atom cukup didekatkan. Tingkat energi yang sangat berdekatan, tapi besar sekali cacahnya disebut pita energi dan secara skematik dalam Gambar 1-3a ditandai dengan menggelapkan bagian yang bersangkutan. 2N keadaan dalam pita inisepenuhnya diisi 2N elektron. Dengan jalan yang sama, bagian atas dari daerah yang dihitami dalam Gambar 1-3a, adalah suatu pita dari 6N keadaan, hanya 2N di antara keadaan-keadaan itu terisi oleh elektron.

Gbr. 1.3 Gambaran tingkat energi atom yang terisolasi dibagi menjadi band energi untuk membentuk kristal

ISOLATOR, SEMIKONDUKTOR DAN LOGAM Isolator. Struktur pita energi dari Gambar 1-3b pada jarak atom dalam kisi yang normal diperlihatkan secara skematik pada Gambar 1-4a. Untuk kristal intan(karbon) daerah terlarang yang tidak mengandung keadaan kuantum, tingginya beberapa eV. (EG ≈ 6eV). Pita terlarang yang lebar ini memisahkan daerah valensi yang penuh dari pita konduksi yang kosong. Energi yang dapat diberikan kepada elektron, oleh medan listrik yang diterapkan, terlalu kecil untuk memindahkan elektron dari pita yang penuh ke pita yang kosong. Oleh karena elektron tidak dapat memperoleh energi yang mencukupi, maka penghantaran tidak mungkin berlangsung, oleh karena itu intan merupakan suatu isolator.

Gbr. 1.4 Struktur Pita energi (a) sebuah Isolator, (b) sebuah Semikonduktor, (c) sebuah logam

Lanjutan Semikonduktor. Suatu bahan dengan lebar pita terlarang yang relatif kecil (~ 1 eV) disebut Semikonduktor. Bahan semikonduktor yang penting dan praktis adalah germanium dan silikon yang nilai E G -nya berturut-turut 0,785 dan 1,21 eV pada 0 0 K. sehingga bahan-bahan ini bersifat isolator pada temperatur rendah. Apabila temperatur dinaikkan, sebagian elektron valensi memperoleh panas termal yang lebih besar dari E G , oleh karenanya elektron tersebut memasuki pita konduksi. Sekarang elektron-elektron ini bebas, dalam arti elektron-elektron tersebut mudah bergerak walaupun dipengaruhi oleh medan yang kecil. Isolator ini sekarang mulai dapat menghantarkan arus, dan disebut semikonduktor. Ketidakhadiran elektron dalam pita valensi digambarkan dengan lingkaran-lingakaran kecil dalam Gambar 1-4b dan disebut lubang.

Lanjutan Logam. Suatu zat padat yang mempunyai struktur pita yang hanya sebagian terisi disebut logam. Bahan ini merupakan konduktor dan pita energi yang terisi sebagian merupakan pita konduksi. Suatu contoh dari struktur pita sebuah logam diberikan dalam Gambar 1-4c. dimana ditunjukkan pita valensi dan pita konduksi bertumpang tindih.

GEJALA TRANSPORT DALAM SEMIKONDUKTOR Arus dalam sebuah logam disebabkan oleh aliran muatan negatif (elektron-elektron). Sedangkan dalam semikonduktor sebagai hasil gerak keduanya elektron dan muatan positif (lubang-lubang). Sebuah semikonduktor dapat diisi dengan atom takmurnian sehingga arus yang mengalir, terutama disebabkan oleh elektron saja atau oleh lubang saja.

MOBILITAS DAN KONDUKTIVITAS Akibat dari kekuatan medan elektrostatik ini elektron akan terusmenerus dipercepat dan kecepatan elektron akan makin tinggi, seandainya tidak terjadi tumbukan dengan ion. Akan tetapi dalam setiap tumbukan tidak elastik dengan ion, elektron akan kehilangan energi dan suatu keadaan stasioner akan dicapai dimana kecepatan hanyut v akan diperoleh. Kecepatan hanyut ini arahnya berlawanan dengan arah medan listrik. Kecepatan dalam waktu t antara dua tumbukan adalah at, dimana a = qε / m adalah percepatan. Oleh karena itu kecepatan v ini akan berbanding lurus dengan ε. Jadi: v = με dimana μ (meter kuadrat per detik) disebut mobilitas dari elektron.

ELEKTRON DAN LUBANG DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK Lubang. Pada temperatur kamar, beberapa ikatan kovalen akan patah oleh energi panas yang diberikan kepada kristal, dan konduksi dimungkinkan. Keadaan ini dilukiskan pada dibawah. Disini dilukiskan sebuah elektron, sedang diusir dan karenanya mengembara secara acak dalam kristal. Energi EG yang diperlukan untuk mematahkan ikatan kovalen tersebut adalah sekitar 0,72 eV untuk germanium dan 1,1 eV untuk silikon pada temperatur kamar. Ketiadaan elektron dari ikatan kovalen dari Gambar dibawah digambarkan dengan lingkaran kecil dan ikatan kovalen yang tak lengkap sperti itu disebut lubang

Lanjutan Mekanisme lubang melakukan penghataran, secara kualitatif adalah sebagai berikut: Apabila sebuah ikatan tidak lengkap, relatif lebih mudah bagi elektron valensi dari sautu atom di tegangannya meninggalkan ikatan kovalennya dan mengisi lubang ini. Suatu elektron yang meninggalkan suatu ikatan untuk mengisi lubang yang lain akan membentuk akan membentuk lubang dalam ikatan yang ditinggalkan. Dalam semikonduktor murni(intrinsik) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas. Gerakan termal terus menerus menghasilkan pasangan elektron lubang yang baru, sedangkan elektron lubang yang lain menghilang sebagai akibat rekombinasi. Konsentrasi (rapat) lubang p harus sama dengan konsentrasi rapat elektron n, sehingga n = p = ni (2-10) dimana ni disebut konsentrasi atau rapat intrinsik.

TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR Apabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensi tiga atau lima maka terbentuk semikonduktor yang takmurni, yang disebut ekstrinsik. Donor-Donor. Apabila atom takmurnian mempunyai lima elektron valensi, maka struktur kristal akan diperoleh. Atom takmurnian akan menggeser beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal. Takmurnian ini akan memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, oleh karena dikenal sebagai takmurnian donor atau tipe-n. Apabila takmurniak donor ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkat energi yang diperkenankan akan berada sedikit dibawah pita konduksi Akseptor. Apabila takmurnian trivalen (valensi tiga) ditambahkan pada semikonduktor intrinsik hannya tiga ikatan kovalen yang diisi, kekosongan yang terjadi pada ikatan keempat akan membentuk lubang. Takmurnian ini karenanya disebut akseptor, atau takmurnian tipe-p. Apabila takmurnian akseptor, atau tipe-p, ditambahkan pada semikonduktor intrinsik, akan terbentuk tingkatan energi yang diperbolehkan yang letaknya sedikit di atas pita valens

RAPAT-RAPAT MUATAN DALAM SEBUAH SEMIKONDUKTOR np = ni2 , memberikan hubungan antara rapat (konsentrasi) elektron n dan rapat lubang p. Rapat-rapat ini selanjutnya memenuhi hukum netralitas. ND + p = NA + n (2-11) , dimana ND adalah rapat atom donor, NA rapat atom akseptor. Pandang bahan tipe-n dengan NA = 0. oleh karena banyaknya elektron jauh melebihi jumlah besar dari banyak lubang (n>>p) dalam semikonduktor tipe-n. maka persamaan (2-11) menjadi n ≈ ND (2-12) dalam bahan tipe-n, konsentrasi elektron bebas kira-kira sama dengan rapat atom donor. Dalam pemakaiannya di kemudian hari, kita mempelajari ciri-ciri bahan-bahan tipe-p dan tipe-n, kemudian mengkaitkanya satu dengan yang lain. Oleh karena ada kemungkinan terkecoh bahan mana yang sedang ditinjau pada suatu saat, maka kita tambahkan indeks n atau p untuk bahan-bahan tipe n atau tipe-p. Jadi Persamaan (2-12) dapat ditulis lebih jelas sebagai. nn ≈ ND

TUGAS I : Buatlah makalah/rangkuman materi menyangkut energi atom dan semikonduktor minimal 3 halaman…….??? Dikumpul pada pertemuan selanjutnya…..

Anda bisa, jika Anda berpikir bisa, selama akal mengatakan bisa. Batasan apakah sesuatu masuk akal atau tidak, kita lihat saja orang lain, jika orang lain telah melakukannya atau telah mencapai impiannya, maka impian tersebut adalah masuk akal. Kita tidak bisa mengajari orang apapun Kita hanya bisa membantu mereka menemukannya di dalam diri mereka (Galileo Galilei)