dasr elektronika

Teori Atom dan Molekul
a. Tujuan kegiatan pembelajaran 1
1) Peserta diklat mampu memahami dan menjelaskan struktur
atom semikonduktor.
2) Peserta diklat mampu memahami dan menjelaskan
semikonduktor tipe N dan tipe P.
b. Uraian Materi 1
Operasi komponen elektronika benda padat seperti dioda, LED,
Transistor Bipolar dan FET serta Op-Amp atau rangkaian
terpadu lainnya didasarkan atas sifat-sifat semikonduktor.
Semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya
terletak antara sifat-sifat konduktor dan isolator. Sifat-sifat
kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah
oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi
pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitive.
Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat
kimia dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri
atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron, proton, dan elektron.
Dalam struktur atom, proton dan neutron membentuk inti atom
yang bermuatan positip, sedangkan elektron-elektron yang
bermuatan negatip mengelilingi inti. Elektron-elektron ini
tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari
bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah
silikon dan germanium.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 atom silikon mempunyai
elektron yang mengorbit (mengelilingi inti) sebanyak 14 dan
8
atom germanium mempunyai 32 elektron. Pada atom yang
seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan
jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron
adalah: - 1.602-19 C dan muatan sebuah proton adalah: +
1.602-19 C.
Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai
elektron valensi. Atom silikon dan germanium masing
mempunyai empat elektron valensi. Oleh karena itu baik atom
silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom
tetra-valent (bervalensi empat). Empat elektron valensi
tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap
elektron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan
elektron valensi dari atom-atom yang bersebelahan. Struktur
kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan secara dua
dimensi pada Gambar 2 guna memudahkan pembahasan.
Gambar 1. Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium
Gambar 1. Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium
9
Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun
bisa saja elektron valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen
menuju daerah konduksi apabila diberikan energi panas. Bila
energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan elektron
dari ikatan kovalen maka elektron tersebut menjadi bebas atau
disebut dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat
kurang lebih 1.5 x 1010 elektron bebas dalam 1 cm3 bahan
silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada
germanium. Semakin besar energi panas yang diberikan
semakin banyak jumlah elektron bebas yang keluar dari ikatan
kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.
Semikonduktor Tipe N
Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping)
dengan bahan bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor
ekstrinsik. Pada bahan semikonduktor intrinsik, jumlah
elektron bebas dan holenya adalah sama. Konduktivitas
Si
Si
Si Si Si
Si Si
Si Si
elektron
valensi
ikatan
kovalen
Gambar 2. Struktur Kristal Silikon dengan Ikatan Kovalen
10
semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya
jumlah pembawa muatan yakni hole maupun elektron bebas
tersebut.
Jika bahan silikon didoping dengan bahan ketidak murnian
(impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh
semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini
misalnya antimoni, arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi
kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada Gambar 3.
Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat
elektron valensi mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan
atom silikon sedangkan elektron valensi yang kelima tidak
mendapatkan pasangan. Oleh karena itu ikatan elektron kelima
ini dengan inti menjadi lemah dan mudah menjadi elektron
bebas. Karena setiap atom depan ini menyumbang sebuah
elektron, maka atom yang bervalensi lima disebut dengan atom
Gambar 3. Struktur Kristal Semikonduktor (Silikon) Tipe N
Si
Si
Si Si Si
Si Si
Si Sb
atom
antimoni
(Sb)
elektron
valensi
kelima
11
donor. Dan elektron “bebas” sumbangan dari atom dopan
inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.
Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas
(pembawa mayoritas) cukup banyak, namun secara keseluruhan
kristal ini tetap netral karena jumlah muatan positip pada inti
atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya.
Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya
(pembawa mayoritas) meningkat, ternyata jumlah holenya
(pembawa minoritas) menurun. Hal ini disebabkan karena
dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan
hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali
elektron dengan hole) semakin meningkat. Sehingga jumlah
holenya menurun.
Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat
digambarkan seperti pada Gambar 4. Jarak antara pita
konduksi dengan level energi donor sangat kecil yaitu 0.05 eV
untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium. Oleh karena itu
pada suhu ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa
mencapai pita konduksi dan menjadi elektron bebas.
pita valensi
pita konduksi
Eg = 0.67eV (Ge); 1.1eV (Si)
level energi donor
energi
0.01eV (Ge); 0.05eV (Si)
Gambar 4. Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe N
12
Bahan semikonduktor tipe n dapat dilukiskan seperti pada Gambar
5. Karena atom-atom donor telah ditinggalkan oleh elektron
valensinya (yakni menjadi elektron bebas), maka menjadi ion yang
bermuatan positip. Sehingga digambarkan dengan tanda positip.
Sedangkan elektron bebasnya menjadi pembawa mayoritas. Dan
pembawa minoritasnya berupa hole.
Semikonduktor Tipe P
Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan
bahan impuritas (ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan
diperoleh semikonduktor type p. Bahan dopan yang bervalensi
tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium. Struktur kisikisi
kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 6.
Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam
Gambar 6 adalah atom Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen
yang bisa dipenuhi. Sedangkan tempat yang seharusnya
membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk
hole) dan bisa ditempati oleh elektron valensi lain. Dengan
demikian sebuah atom bervalensi tiga akan menyumbangkan
sebuah hole. Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga atom
akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron.
Gambar 5. Bahan Semikonduktor Tipe N
+ +
+
+
+
+ + +
pembawa minoritas
ion donor pembawa mayoritas
13
Seperti halnya pada semikonduktor type n, secara keseluruhan
kristal semikonduktor type n ini adalah netral. Karena jumlah hole
dan elektronnya sama. Pada bahan type p, hole merupakan
pembawa muatan mayoritas. Karena dengan penambahan atom
dopan akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan.
Sedangkan pembawa minoritasnya adalah elektron.
Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada Gambar 7. Jarak
antara level energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu
sekitar 0.01 eV untuk germanium dan 0.05 eV untuk silikon.
Dengan demikian hanya dibutuhkan energi yang sangat kecil bagi
elektron valensi untuk menempati hole di level energi akseptor.
Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita
valensi yang merupakan pembawa muatan.
Gambar 6. Struktur Kristal Semikonduktor (Silikon) Tipe P
Si
Si
Si Si Si
Si Si
Si B
atom
Boron (B)
hole
14
Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti pada Gambar
8. Karena atom-atom akseptor telah menerima elektron, maka
menjadi ion yang bermuatan negatip. Sehingga digambarkan
dengan tanda negatip. Pembawa mayoritas berupa hole dan
pembawa minoritasnya berupa elektron.
Gambar 8. Bahan Semikonduktor Tipe P
- -
-
-
-
- - -
pembawa minoritas
pembawa mayoritas
ion akseptor
Gambar 7. Diagram Pita Energi Semikonduktor Tipe P
pita valensi
pita konduksi
Eg = 0.67eV (Ge); 1.1eV (Si)
level energi akseptor
energi
0.01eV (Ge); 0.05eV (Si)
15
c. Rangkuman 1
ü Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar, yaitu: neutron,
proton, dan elektron. Pada atom yang seimbang (netral)
jumlah elektron dalam orbit sama dengan jumlah proton
dalam inti.
ü Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C dan
muatan sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.
ü Bahan silikon yang didoping dengan bahan ketidak murnian
(impuritas) bervalensi lima (penta-valens) menghasilkan
semikonduktor tipe n. Apabila bahan semikonduktor murni
(intrinsik) didoping dengan bahan impuritas (ketidakmurnian)
bervalensi tiga, maka diperoleh semikonduktor
type p
d. Tugas 1
Carilah unsur-unsur kimia yang termasuk ke dalam kategori
semikonduktor ! (Cari dalam tabel periodik unsur-unsur kimia)
e. Tes formatif 1
1) Jelaskan pengertian dari bahan semikonduktor!
2) Apa arti dari elektron valensi?
3) Apa yang dimaksud dengan semikonduktor intrinsik?
4) Sebutkan beberapa contoh semikonduktor bervalensi tiga!
16
f. Kunci jawaban 1
1) Semikonduktor adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya
terletak antara sifat-sifat konduktor dan isolator. Sifat-sifat
kelistrikan konduktor maupun isolator tidak mudah berubah
oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit,
tetapi pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat
sensitif.
2) Elektron valensi adalah jumlah elektron yang menempati
orbit terluar dari struktur atom suatu bahan.
3) Semikonduktor intrinsik adalah bahan semikonduktor murni
(belum diberi campuran/pengotoran) dimana jumlah
elektron bebas dan holenya adalah sama. Konduktivitas
semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya
jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas.
4) Bahan semikonduktor yang bervalensi tiga misalnya boron,
galium, dan indium.
2. Kegiatan Belajar 2 :
Komponen Pasif
a. Tujuan kegiatan pembelajaran 2
1) Peserta diklat memahami jenis-jenis resistor dengan benar.
2) Peserta diklat menguasai tentang kode warna dan angka resistor
dengan benar.
3) Peserta diklat memahami kode warna pada kapasitor dengan
benar.
4) Peserta diklat menjelaskan kode angka dan huruf kapasitor
dengan benar.
5) Peserta diklat menghitung induktor dengan benar.
17
b. Uraian materi 2
Yang termasuk komponen pasif adalah resistor, kapasitor,
induktor.
Resistor
Resistor disebut juga dengan tahanan atau hambatan,
berfungsi untuk menghambat arus listrik yang melewatinya.
Satuan harga resistor adalah Ohm. ( 1 MW (mega ohm) = 1000
KW (kilo ohm) = 106 W (ohm)).
Resistor terbagi menjadi dua macam, yaitu :
ü Resistor tetap yaitu resistor yang nilai hambatannya relatif
tetap, biasanya terbuat dari karbon, kawat atau paduan
logam. Nilainya hambatannya ditentukan oleh tebalnya dan
panjangnya lintasan karbon. Panjang lintasan karbon
tergantung dari kisarnya alur yang berbentuk spiral.
Gambar simbol dan bentuk resistor tetap dapat dilihat pada
gambar 8.
atau
Gambar 9. (a) Resistor tetap; (b) Simbol resistor tetap
(a)
(b)
18
􀆔 Resistor variabel atau potensiometer, yaitu resistor
yang besarnya hambatan dapat diubah-ubah. Yang
termasuk kedalam potensiometer ini antara lain :
Resistor KSN (koefisien suhu negatif), Resistor LDR
(light dependent resistor) dan Resistor VDR (Voltage
Dependent Resistor). Gambar simbol dan bentuk
resistor variabel dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 10. (a) Resistor Variabel / Potensiometer;
(b) Simbol resistor variabel/potensiometer
Menentukan Kode Warna pada Resistor
Kode warna pada resistor menyatakan harga resistansi dan
toleransinya. Semakin kecil harga toleransi suatu resistor
adalah semakin baik, karena harga sebenarnya adalah harga
yang tertera ± harga toleransinya.
Terdapat resistor yang mempunyai 4 gelang warna dan 5
gelang warna seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini :
(b)
(a)
19
Gambar 11. Resistor dengan 4 Gelang dan 5 Gelang Warna.
Tabel 1. Kode Warna pada Resistor 4 Gelang
Warna
Gelang 1
(Angka
pertama)
Gelang 2
(Angka
kedua)
Gelang 3
(Faktor
pengali)
Gelang 4
(Toleransi
/%)
Hitam - 0 1 -
Coklat 1 1 10 1
Merah 2 2 102 2
Oranye 3 3 103 3
Kuning 4 4 104 4
Hijau 5 5 105 5
Biru 6 6 106 6
Ungu 7 7 107 7
Abuabu
8 8 108 8
Putih 9 9 109 9
Emas - - 10-1 5
Perak - - 10-2 10
Tanpa
warna - - 10-3 20
Contoh :
Sebuah resistor dengan 4 gelang. Gelang pertama cokelat,
gelang kedua cokelat, gelang ketiga orange dan gelang
keempat emas. Tentukan nilai tahanan resistor !
Nilai Resistor tersebut :
Gelang 1 (cokelat) =1; Gelang 2(cokelat)=0; Gelang
3(orange)= 103 ; Gelang 4 (emas) = 5 %
20
Sehingga nilai tahanan resistor adalah 10 x 103 W ± 5 %
atau 10 K W dengan toleransi 5 %
Kode Huruf Resistor
Resistor yang mempunyai kode angka dan huruf biasanya
adalah resistor lilitan kawat yang diselubungi dengan
keramik/porselin, seperti terlihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 12. Resistor dengan Kode Angka dan Huruf
Arti kode angka dan huruf pada resistor dengan kode 5 W 22 R
J adalah sebagai berikut :
5 W berarti kemampuan daya resistor besarnya 5 watt
22 R berarti besarnya resistansi 22 W
Dengan besarnya toleransi 5%
21
Kapasitor
Kapasitor atau kondensator adalah suatu komponen listrik yang
dapat menyimpan muatan listrik. Kapasitas kapasitor diukur
dalam F (Farad) = 10-6 mF (mikro Farad) = 10-9 nF (nano Farad)
= 10-12 pF (piko Farad). Kapasitor elektrolit mempunyai dua
kutub positif dan kutub negatif (bipolar), sedangkan kapasitor
kering misal kapasitor mika, kapasitor kertas tidak
membedakan kutub positif dan kutub negatif (non polar).
Bentuk dan simbol kapasitor dapat dilihat pada gambar di
bawah ini:
Gambar 13. (a) Kapasitor; (b) Simbol kapasitor
􀂱 + (b)
(a)
22
Gambar 14. Kode Warna pada Kapasitor
Arti kode angka dan huruf pada kapasitor dapat dilihat pada
tabel 2 di bawah .
Tabel 2. Kode Warna pada Kapasitor
Warna Gelang 1
(Angka)
Gelang 2
(Angka)
Gelang 3
(Pengali)
Gelang 4
(Toleransi
)
Gelang 5
(Tegangan
Kerja)
Hitam - 0 1 - - -
Coklat 1 1 10 1 - -
Merah 2 2 102 2 250
V 160 V
Jingga 3 3 103 3 - -
Kuning 4 4 104 4 400
V 200 V
Hijau 5 5 105 5 - -
Biru 6 6 106 6 630
V 220 V
Ungu 7 7 107 7 - -
Abu-abu 8 8 108 8 - -
Putih 9 9 109 9 - -
23
Tabel 3. Kode Angka dan Huruf pada Kapasitor
Kode angka Gelang 1
(Angka
pertama)
Gelang 2
(Angka
kedua)
Gelang 3
(Faktor
pengali)
Kode huruf
(Toleransi
%)
0 - 0 1 B
1 1 1 10 C
2 2 2 102 D
3 3 3 103 F = 1
4 4 4 104 G = 2
5 5 5 105 H = 3
6 6 6 106 J = 5
7 7 7 107 K = 10
8 8 8 108 M = 20
9 9 9 109
Contoh : - kode kapasitor = 562 J 100 V artinya : besarnya
kapasitas = 56 x 102 pF = 5600 pF; besarnya toleransi = 5%;
kemampuan tegangan kerja = 100 Volt.
24
Induktor
Induktor adalah komponen listrik yang digunakan sebagai
beban induktif. Simbol induktor seperti pada gambar di bawah
ini :
Gambar 15. (a) Induktor ; (b) Simbol Induktor
Kapasitas induktor dinyatakan dalam satuan H (Henry) =
1000mH (mili Henry). Kapasitas induktor diberi lambang L,
sedangkan reaktansi induktif diberi lambang XL.
XL = 2 p . f . L (ohm). ……………........................ (1)
dimana : XL = reaktansi induktif (W)
p = 3,14
f = frekuensi (Hz)
L = kapasitas induktor (Henry)
Pada induktor terdapat unsur resistansi (R) dan induktif (XL)
jika digunakan sebagai beban sumber tegangan AC. Jika
digunakan sebagai beban sumber tegangan DC, maka hanya
(a)
(b)
25
terdapat unsur R saja. Dalam sumber tegangan AC berlaku
rumus :
Z = V / I ...……………......... (2)
Z2 = R2 + XL
2
XL
2 = Z2 – R2
XL = ………........ ( 3 )
Dimana :
Z = Impedansi (W) R = Tahanan (W)
V = Tegangan AC (Volt) XL = Reaktansi induktif (W)
I = Arus (Ampere)
Dari persamaan (2) jika sumber tegangan AC (V) dan arus
(I) diketahui, maka Z dapat dihitung. Dari persamaan (3),
jika R diketahui, maka XL dapat dihitung. Dari persamaan
(1) jika f diketahui, maka L dapat dihitung.
c. Rangkuman 2
ü Resistor, Kapasitor dan Induktor termasuk ke dalam
komponen pasif.
ü Nilai resistor dan kapasitor dapat diketahui dengan melihat
kode warna dan angka yang terdapat pada resistor dan
kapasitor.
ü Induktor memiliki unsur resistansi dan induktansi jika
digunakan sebagai beban dalam sumber tegangan AC,
sedangkan bila digunakan sebagai beban pada sumber
tegangan DC hanya akan menghasilkan unsur resistansi.
2
L
Z = R2 +X
Z2 -R2
26
d. Tugas 2
1) Sebutkan kisaran kuat terkecil sampai terbesar resistor yang
ada !
2) Sebutkan tipe kapasitor dan bahan pembuat kapasitor !
3) Sebutkan contoh-contoh penggunaan induktor !
e. Tes formatif 2
1) Jelaskan apa yang dimaksud :
a. Resistor
b. Kapasitor
c. Induktor
2) Apa arti kode 82 k W 5% 9132 W pada resistor ?
3) Apa arti kode 5 W 22 R J pada resistor ?
4) Apakah arti kode warna pada kapasitor berikut Coklat;
hitam; jingga; putih; merah
5) Apa arti kode pada kapasitor : 562 J 100 V?
6) Suatu induktor diberi sumber tegangan AC 100 Volt, arus
yang mengalir 1 Ampere, jika diukur dengan Ohmmeter,
induktor tersebut berharga 99 W. Jika frekuensi sumber 50
Hz, berapakah kapasitas induktansi L ?
27
f. Kunci jawaban 2
1). a). Resistor adalah suatu komponen listrik yang berguna
untuk menghambat arus listrik.
b). Kapasitor adalah suatu komponen listrik
2). 82 k W 5% 9132 W artinya besarnya resistansi = 82 k W;
besarnya toleransi = 5%; nomor serinya = 9132 W.
3). 5 W 22 R J artinya besarnya kemampuan = 5 watt;
besarnya resistansi = 22 W; besarnya toleransi = 5%.
4). Coklat = 1; hitam = 0; jingga = 103; putih = toleransi 10
%; merah = tegangan kerja 250 V untuk DC dan 160 V
untuk AC
5). Besarnya kapasitas = 5600 pF, toleransi 5 %, tegangan
kerja 100volt.
6). Diketahui : V = 100 Volt
I = 1 A
R = 99 W
f = 50 Hz
Z =V / I = 100 / 1 W = 100 W
XL = = = 14,1 W
XL = 2 . p . f . L
L = XL / 2 . p . f
= (14,1 / 2 . 3,14 . 50) . 100 mH
= 44,9 mH
Z2 -R2 1002 -992
28
g. Lembar Kerja 2