Semikonduktor

Semikonduktor

Prinsip Dasar

Semikonduktor merupakan  elemen dasar  dari komponen  elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah  konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi,  timah disebut sebagai konduktor yang baik  sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit  bagian  dalam membentuk  inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit paling luar.

Orbit terluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya 'jauh' dari nucleus, ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah terlepas dari ikatannya.

Ikatan Atom Tembaga

Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini.  Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi  lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Susunan Atom Semikonduktor Bahan semikonduktor yang  banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat  komponen semikonduktor. Namun belakangan, silicon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak  bahan ini dari alam. Silikon  merupakan bahan terbanyak  ke dua yang ada dibumi  setelah oksigen (O2).  Pasir, kaca dan batu-batuan  lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur  silikon  (Dapatkah anda menghitung jumlah pasir dipantai ?)

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi.  Ikatan inti atom yang stabil  adalah jika dikelilingi oleh 8  elektron, sehingga 4 buah  elektron atom kristal  tersebut membentuk ikatan  kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0o

K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

Struktur Data Dimensi Silikon Kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak  dapat berpindah dari satu  inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian,  bahan semikonduktor  bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen  yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkanelektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepassehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron  valensi bebas dalam jumlah  lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.

Tipe-N

Misalnya pada bahan silikon  diberi doping  phosphorus  atau  arsenic  yang  pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity  semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron.

Kelebihan electron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. 

Doping Atom pentavalen

Diagram Pita energi semi konduktor -N

Tipe-P

Kalau silikon diberi doping  Boron,  Gallium  atau  Indium,  maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silicon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4  elektron, dengan demikian  ada ikatan kovalen yang  bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

Doping atom trivalen

Diagram Pita Energi Semikonduktor-P

Read more »

Model Atom

Model Atom

Secara rinci, riwayat perkembangan model atom adalah sebagai berikut 

Model Atom Dalton

1. Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil.
2. Atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dipecah lagi.
3. Atom suatu unsur sama memiliki sifat yang sama, sedangkan atom unsur berbeda, berlainan dalam massa dan sifatnya.
4. Senyawa terbentuk jika atom bergabung satu sama lain.

Model Atom Thomson

1.    Setelah ditemukannya elektron oleh J.J Thomson, disusunlah model atom Thomson yang merupakan penyempurnaan dari model atom Dalton.

2.    Atom terdiri dari materi bermuatan positif dan di dalamnya tersebar elektron bagaikan kismis dalam roti kismis.

Model Atom Rutherford

1. Rutherford menemukan bukti bahwa dalam atom terdapat inti atom yang bermuatan positif, berukuran lebih kecil daripada ukuran atom tetapi massa atom hampir seluruhnya berasal dari massa intinya.
2. Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan berada pada pusat atom serta elektron bergerak melintasi inti (seperti planet dalam tata surya).

Model Atom Niels Bohr

1. Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan di sekitarnya beredar elektron-elektron yang bermuatan negatif.
2. Elektron beredar mengelilingi inti atom pada orbit tertentu yang dikenal sebagai keadaan gerakan yang stasioner (tetap) yang selanjutnya disebut dengan tingkat energi utama (kulit elektron) yang dinyatakan dengan bilangan kuantum utama (n).
3. Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi akan tetap.
4. Elektron hanya dapat berpindah dari lintasan stasioner yang lebih rendah ke lintasan stasioner yang lebih tinggi jika menyerap energi. Sebaliknya, jika elektron berpindah dari lintasan stasioner yang lebih tinggi ke rendah terjadi pelepasan energi.
5. Pada keadaan normal (tanpa  pengaruh luar), elektron menempati tingkat energi terendah (disebut tingkat dasar = ground state). 

Read more »

Teori Atom

Teori Atom

Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan didapat akan didapat bagian yang tidak dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom. Istilah atom berasal dari bahasa yunani  “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian disempurnakan menjadi, atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah  lagi  namun masih memiliki sifat kimia dan sifat fisika benda asalnya.

Pada tahun 1803, John Dalton (1766 – 1844), ahli fisika dan kimia, mengajukan pendapat bahwa materi terdiri atas atom-atom. Postulat yang dikemukakan Dalton dapat disimpulkan sebagai berikut:

1.   Atom merupakan bagian terkecil dari materi dan tidak dapat dibagi lagi dengan reaksi kimia biasa.

2.   Atom  digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil. Setiap unsur terdiri  dari atom-atom yang identik dan berbeda dengan unsur yang lain.

3.   Atom tidak dapat dipecah lagi menjadi partikel yang lebih kecil dengan sifat  yang sama.

4.   Atom-atom bergabung membentuk senyawa 

5.   Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom. Oleh karena itu atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Pendapat Dalton mengenai atom ini kemudian disempurnakan oleh para ahli yang lainnya seperti J.J. Thomson (Elektron ditemukan Thomson), Rutherford (Nukleus/inti atom dan neutron ditemukan oleh Rutherford), Niels Bohr (Model atom seperti orbit planet ditemukan oleh Bohr), dan Louis de Broglie. Pada  abad ke-19, diketahui bahwa atom bukanlah partikel yang tidak dapat dibagi-bagi lagi karena mengandung sejumlah partikel subatomik yaitu elektron, proton, dan netron.

Elektron

Elektron adalah partikel subatomik yang bermuatan negative. Elektron memiliki massa sekitar 1/1836 massa proton. Elektron hanya mengambil 0,06% massa total atom. Gaya tarik Coulomb antara elektron dengan proton menyebabkan elektron terikat dalam atom. Elektron memiliki banyak kegunaan dalam teknologi modern, misalnya dalam mikroskop elektron, terapi radiasi, dan pemercepat partikel.

Hukum Coulomb  adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara  gaya  yang timbul antara dua  titik muatan, yang terpisahkan jarak tertentu, dengan nilai muatan dan jarak pisah keduanya.

Hukum ini menyatakan apabila terdapat dua buah titik muatan maka akan timbul gaya di antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat  jarak antar keduanya. Interaksi antara benda-benda bermuatan (tidak hanya titik muatan) terjadi melalui  gaya tak-kontak  yang bekerja melampaui jarak separasi. Adapun hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa arah gaya pada masing-masing muatan terletak selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) akan saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik.

Proton

Proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif dengan simbol p. 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.  

Inti Atom

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan  penelitian  lebih lanjut mengenai atom. Dalam percobaannya, beliau menemukan kenyataannya, sebagian besar sinar alfa dapat menembus lempeng emas yang disinari. Jadi, proton dan elektron tidak tersusun secara rapat atau terdapat  banyak rongga kosong di dalam  atom. Beliau menyatakan hipotesa susunan sebuah  atom bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi  elektron yang bermuatan negatif. Muatan negatif elektron dapat mengimbangi muatan positif inti atom, sehinga atom bersifat netral.  

Neutron

Seperti di jelaskan sebelumnya, Rutherford (1920) meramalkan bahwa  kemungkinan besar di dalam inti atom terdapat partikel lain yang tidak bermuatan.  Pada tahun 1932 James Chadwick dapat menemukan neutron. Dengan demikian  penyusun dasar suatu materi adalah partikel elektron, proton, dan neutron

ha..ha..ha...

berbicara tentang atom jadi ingat film real steal, film jadi ngak ada salahnya kalo kalian liat film ini juga. :)

Read more »