konduktor dan isolator

Konduktor dan Isolator

Arus Listrik adalah nama yang diberikan untuk aliran electron-elektron (atau pembawa/carrier muatan negative). Elektron-elektron berputar (to orbit) mengelilingi inti (nucleus) atom sebagaimana bumi berputar mengelilingi matahari.

Sebuah atom helium (He) tunggal yang menampilkan kedua elektronnya mengelilingi inti atomnya.

Elektron-elektron berada pada satu kulit (shell), tertahan di lintasan-lintasan orbitalnya karena adanya suatu gaya tarik menuju inti yang mengandung proton-proton (pembawa muatan positif) dalam jumlah yang sama besarnya dengan jumlah electron. Karena muatan-muatan yang sejenis akan saling tolak menolak dan muatan-muatan yang berlawanan jenis akan saling tarik menarik, electron-elektron yang bermuatan negative akan tertarik menuju proton-proton yang bermuatan positif.
Prinsip yang sama dapat diamati pada sifat tarik menarik antara dua magnet permanent, kedua kutub utara dari magnet-magnet tersebut akan saling tolak menolak, sementara sebuah kutub utara dan sebuah kutub selatan akan saling tarik menarik. Dengan cara yang sama, muatan-muatan yang berbeda jenis dari electron yang negative dan proton yang positif ini akan mengalami gaya tarik menarik.

Elektron-elektron kulit terluar dari sebuah konduktor dapat dengan mudah berpindah ke atom-atom yang bersebelahan dalam susunan atom-atom yang membentuk substansi konduktor tersebut. Ini memungkinkan substansi tersebut untuk menghantarkan listrik.
Contoh: logam seperti tembaga, perak, besi dan aluminium.

Sebaliknya, electron-elektron kulit terluar dari suatu isolator terikat kuat pada atom-atom induknya dan perpindahan electron praktis tidak mungkin terjadi.
Contoh: plastic, karet dan bahan-bahan keramik.

Semikonduktor
Kita telah mengetahui bahwa struktur sebuah atom terdiri dari pembawa muatan negative dan pembawa muatan positif. Masing-masing electron membawa satu-satuan muatan listrik negative sedangkan proton masing-masingnya memiliki satu satuan positif. Karena atom umumnya memiliki jumlah proton dan electron sama, muatan totalnya akan sama dengan nol.
Sebagai contoh, jika sebuah atom memiliki sebelas electron, atom tersebut juga akan memiliki sebelas proton. Hasil akhirnya adalah muatan negative dari electron akan diimbangi oleh muatan positif dari proton.

Elekron-elektron akan bergerak dengan konstan saat mereka mengorbit disekeliling inti atomnya. Orbit-orbit electron akan terseusun menjadi kulit. Jumlah electron maksimum yang ada pada kulit pertama adalah 2, pada kulit kedua adalah 8, dan pada kulit ketiga, keempat, dan kelima masing-masing adalah 18, 32 dan 50.
Dalam elektronika, hanya kulit electron yang terjauh dari inti atom sajalah yang memainkan peranan penting. Kita perlu mengingat bahwa pergerakan electron hanya melibatkan electron-elektron yang berada pada kulit valensi terluar.

Jika kulit valensi mengandung electron-elektron dalam jumlah yang maksimum, electron-elektron tersebtu saling terikat kuat satu sama lainnya sehingga bahan dikatakan memiliki sifat-sifat dari suatu isolator. Jika kulit valensi tidak penuh berisi electron, electron-elektron pada kulit tersebut dapat terlepas dengan mudah dari ikatan-ikatan orbital mereka, dan bahan dikatakan memiliki sifat-sifat dari suatu konduktor listrik.

Sebuah atom silicon memiliki empat electron pada kulit valensinya. Ketika atom-atom silicon bergabung membentuk suatu kristal padat, setiap atom menempatkan dirinya di antara empat atom silicon lainnya sedemikian rupa sehingga kulit valensi tiap-tiap atom saling berimpitan. Ini menyebabkan tiap tiap electron valensi dimiliki bersama oleh dua buah atom, seperti pada gambar di bawah ini:


Susunan atom-atom yang memperlihatkan pengikatan kovalen

Dengan cara saling berbagi electron semacam ini dengan empat atom disebelahnya, setiap atom silicon tunggal tampak memiliki delapan electron pada kulit valensinya. Penggunaan bersama electron valensi ini disebut ikatan kovalen (covalent bonding)
Dalam keadaan murni, silicon adalah sebuah isolator karena pengikatan kovalen mengikat dengan kuat semua elektronnya sehingga tidak menyisakan electron-elektron bebas (yang mudah lepas) untuk mengalirkan arus. Tetapi, jika sebuah atom dari unsure yang berbeda yang memeliki lima electron pada kulit valensinya dicampurkan, akan terjadi kelebihan electron. Elektron-elektron bebas ini siap digunakan sebagai pembawa muatan dan mereka dapat digerakkan didalam susunan atom-atom dengan menerapkan beda potensial eksternal kepada bahan ini.

Sama halnya, jika unsure pengotor yang dicampurkan ked lam susunan atom-atom silicon murni memiliki tiga electron pada kulit valensinya, ketiadaan electron keempat yang dibutuhkan untuk membentuk ikatan kovalen yang sempurna akan mengakibatkan timbulnya sejumlah ruang kosong yang dapat dimuati electron. Ruang-ruang ini disebut sebagai hole. Arus akan mengalir apabila beda potensial eksternal diberikan kepada bahan ini.

Terlepas dari apakah unsure pengotor akan menghasilkan surplus electron atau hole, bahan tersebut tidak lagi bersifat sebagai isolator, dan tidak pula memiliki sifat-sifat yang umumnya ada pada konduktor logam. Sebagai gantinya, kita menyebut bahan tersebut sebagai semikonduktor – yaitu yang mengindikasisakn bahwa substansi tersebut tidak lagi nerupakan isolator yang baik atau konduktor yang baik, tetapi berada diantara keduanya.

Proses pencampuran sebuah atom dari unsur lain (pengotor) ke dalam susunan atom-atom dari suatu bahan murni disebut sebagai penyuntikan atau doping. Ketika bahan murni disuntik dengan suatu pengotor lima electron pada kulit valensinya (yaitu sebuah pengotor pentavalen) bahan tersebut akan berubah menjadi bahan tipe N. Tetapi, jika bahan murni disuntikkan dengan suatu pengotor yang memiliki tiga electron pada kulit valensinya (yaitu sebuah pengotor trivalent) bahan tersebut akan berubah menjadi bahan tipe- P. Bahan semikonduktor tipe N memiliki kelebihan pembawa muatan negative, sedangkan bahan tipr P mempunyai kelebihan pembawa muatan positif.

Dioda Semikonduktor
Ketika suatu sambungan dibentuk dari bahan semi konduktor tipe-N dan tipe-P, perangkat yang dihasilkan itu disebut dioda. Komponen ini memberikan resistansi yang sangat rendah terhadap aliran arus pada satu arah dan resistansi yang sangat tinggi terhadap aliran arus, pada arah yang berlawanan. Karakteristik ini memungkinkan dioda untuk digunakan dalam aplikasi-aplikasi yang menuntut rangkaian untuk memberikan tanggapan yang berbeda sesuai dengan arah arus yang mengalir didalamnya.

Sebuah dioda ideal akan melewatkan arus tak terhingga pada satu arah dan sama sekali tidak melewatkan arus pada arah sebaliknya. Sebagai tambahan, dioda akan mulai mengalirkan arus apabila tegangan terkecil sekalipun diberikan. Pada prakteknya, suatu tegangangan yang sangat kecil harus diberikan sebelum aliran arus terjadi. Arus bocor yang kecil akan mengalir pada arah mundur. Arus bocor ini biasanya merupakan pecahan yang sangat kecil dari arus yang mengalir pada arah majunya.

Jika bahan semikonduktor tipe-P dijadikan lebih positif dari bahan tipe-N melampaui nilai ambang tegangan jatuhnya (0,7 Volt untuk silicon, dan 0,3 Volt untuk germanium), dioda akan melewatkan arus dengan bebas. Jika sebaliknya, bahan tipe-P dijadikan lebih negative daripada bahan tipe-N, praktis tidak akan ada arus yang mengalir kecuali tegangan yang diberikan melebihi tegangan maksimum (breakdown) yang dapat diterima oleh perangkat. Sebuah dioda normal akan rusak jika tegangan breakdown mundurnya dilampaui.

Sebuah dioda sambungan (junction) semikonduktor diperlihatkan dalam gambar dibawah ini:

Dioda sambungan P-N

Hubungan ke bahan tipe-P disebut anoda, sedangkan bahan tipe-N disebut katoda. Tanpa potensial eksternal, electron-elektron dari bahan tipe-N akan menyebarang ke dalam daerah tipe-P dan mengisi sebagian dari hole-hole yang kosong. Hal ini akan mengakibatkan terbentuknya suatu daerah di tengah-tengah sambungan dimana tidak terdapat pembawa muatan bebas. Zona ini dikenal sebagai daerah serapan (depletion region).

Jika suatu tegangan positif diberikan kepada bahan tipe-P, pembawa muatan positif bebas akan terdorong dan bergerak menjauhi potensial positif kea rah sambungan. Sama halnya, potensial negative yang diberikan kepada bahan tipe-N akan menyebabkan pembawa muatan negative bergerak menjauhi potensial negative kea rah sambungan.
Apabila pembawa muatan positif dan negative tiba pada daerah sambungan, mereka akan saling menarik dan bergabung. Bersamaan dengan bergabungnya pembawa muatan positif dan negative pada daerah sambungan, sebuah pembawa muatan positif dan negative yang baru akan muncul dalam bahan semikonduktor dari sumber tegangannya. Setelah memasuki bahan semikonduktor, pembawa-pembawa muatan baru ini akan bergerak menuju daerah sambungan dan bergabung, Oleh sebab itu, aliran arus akan timbul dan akan terus berlangsung selama tegangan masih diberikan.