PENGANTAR ELEKTRONIKA 2011 ILHAM S Pd ELEKTRONIKA Pengantar

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

Komponen 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.

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: v elektron, yang memiliki muatan negatif; v proton, yang memiliki muatan positif; v 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

Proton

Elektron

Satuan energi e. V (elektron volt)

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 q. V = (1, 60 x 10 -19 C)(1 V) = 1, 60 x 10 -19 J = 1 e. V

SIFAT ATOM • Postulat Bohr 1. 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. 2. Dalam perpindahan dari suatu keadaan stasioner dengan energi W 2 ke keadaan stasioner yang lain dengan energi W 1, radiasi akan dipancarkan. Frekuensi energi yang dipancarkan ini diberikan oleh dimana h= konstanta plank dalam joule per second, nilai-nilai w diberikan dalam joule dan f dalam Hertz (getaran per detik)

Lanjutan 3. 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 W 1 ke tingkat W 2 yang lebih tinggi, dimana W 2 = W 1 + 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 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, m 1 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. 3 a) 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, 2 N 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 e. V bila jarak antara atom cukup didekatkan. Tingkat energi yang sangat berdekatan, tapi besar sekali cacahnya disebut pita energi dan secara skematik dalam Gambar 1 -3 a ditandai dengan menggelapkan bagian yang bersangkutan. 2 N keadaan dalam pita inisepenuhnya diisi 2 N elektron. Dengan jalan yang sama, bagian atas dari daerah yang dihitami dalam Gambar 1 -3 a, adalah suatu pita dari 6 N keadaan, hanya 2 N 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, LOGAM SEMIKONDUKTOR DAN • Isolator. Struktur pita energi dari Gambar 1 -3 b pada jarak atom dalam kisi yang normal diperlihatkan secara skematik pada Gambar 1 -4 a. Untuk kristal intan(karbon) daerah terlarang yang tidak mengandung keadaan kuantum, tingginya beberapa e. V. (EG ≈ 6 e. V). 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

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 -4 c. 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 e. V untuk germanium dan 1, 1 e. V 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 lubang dalam ikatan yang ditinggalkan. • Dalam semikonduktor murni(intrinsik) banyaknya lubang sama dengan banyaknya elektron bebas. Gerakan termal terus 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 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

RAPAT-RAPAT MUATAN DALAM SEBUAH SEMIKONDUKTOR • np = ni 2 , 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 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)