KONDUKTOR DAN SEMIKONDUKTOR

Teori Pita (Band Theory)Kerusakan Dalam Struktur

Kristal(Crystal Defect)

2

Model lautan elektronIkatan Logam

3

TEORI PITA

Teori pita (Band Theory) ; untuk menjelaskan mengapa suatu zat dapat bersifat konduktor, semikonduktor atau insulator

Landasan teori pita ; teori orbital molekul

4

Teori pita dapat menjelaskan mengapa logam “kehilangan” elektron valensinya ketika membentuk padatan

Pita orbital 1s, 2s, dan 2p tetap terlokalisasi di sekeliling inti. Pita valensi 3s (berisi elektron valensi) terdelokalisasi berbatasan dengan orbital 3p yang kosong

5

Sejumlah orbital atom yang berasal dari sub kulit yang sama dan mempunyai tingkat energi hampir sama membentuk orbital molekul. Orbital-orbital molekul tersebut saling berdekatan dan hampir kontinu. Kelompok orbital molekul yang kontinu disebut pita (band).

Pita tersebut dipisahkan oleh pita kesenjangan (band gap), yaitu pada tingkat energi di mana tak ada orbital (non bonding)

6

Teori Pita ; Penerapan untuk Na

Orbital-orbital s dari atom-atom Na dapat berinteraksi menghasilkan sejumlah N orbital molekul yang saling bertumpang tindih (overlapping) membentuk pita.

7

Diagram orbital Na

Pita konduksi:

3s antibonding (kosong)

Pita valensi:

3s bonding (penuh)

Tak ada gap

8

Diagram Orbital Mg berdasarkan Teori Pita

Pita konduksi:

kosong

Pita valensi:

penuh

Tak ada gap: konduktor

KonduktorPita 3s saling bertumpangtindihdengan pita 3p yang kosong

9

Penjelasan Magnesium mempunyai konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p6 3s2 Orbital 1s, 2s, dan 2p tetap terlokalisasi di sekeliling inti. Orbital atom 3s dari tiap atom Mg terisi 2 elektron,

sehingga seluruh pita orbital molekul yang berenergi lebih rendah akan terisi penuh. Pita 3s yang berisi penuh dengan 2 elektron disebut pita valensi

Tingkat energi tertinggi dari pita valensi disebut tingkat fermi (energi fermi). Tingkat fermi juga merupakan lapisan batas dimana tak ada satupun elektron yang dapat melampaui lapisan, kecuali bila ada aliran energi yang cukup hingga elektron dapat mencapai pita konduksi.

Pita valensi 3s (berisi elektron valensi) terdelokalisasi berbatasan dengan orbital 3p yang kosong

Orbital 3p yang kosong disebut pita konduksi

10

11

Bagaimana Mg dapat menjadi konduktor yang baik ???

Pada magnesium : pita kosong 3p over lapping dengan pita valensi 3s yang penuh. Elektron dalam pita valensi bergerak ke segala arah secara acak, karena tidak ada arus elektron mengalir. Namun, jika dihubungkan dengan sumber arus, elektron-elektron yang berada di dekat tingkat Fermi mendapat gangguan medan listrik, sehingga meningkat energi kinetiknya dan dapat pindah ke pita konduksi. Terjadilah arus elektron melalui pita konduksi

Hal yang sama terjadi pada Li dan Na, serta logam lain yang bersifat konduktor

12

Insulator

Tak dapat menghantarkan listrik Kesenjangan (gap) energi yang

besar antara pita valensi (yang berisi elektron valensi) dengan pita konduksi (kosong) mencegah insulator menghantarkan listrik.

Kesenjangan (gap) itu disebut juga zona terlarang (forbidden zone)

13

14

Perbandingan Pita gap semikonduktor dan insulator

Semiconductor

Band gap

Pita gap

Intan 5.5 eV

Si 1.1 eV

Ge 0.67 eV

15

Contoh Non logam yang bersifat konduktor dan Insulator

Konduktor Insulator

Pita gap = 5.5 eV

≈ 530 kJ/molTak ada gap

GrafitIntan

16

Semikonduktor Konduktivitas rendah pada suhu kamar. Hal ini karena

adanya gap energi yang kecil antara pita valensi dan pita konduksi.

Konduktivitas listrik bertambah sesuai dengan kenaikan suhu, karena eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dapat terjadi setelah diberi energi

konduktor

semikonduktor

Suhu

Kon

dukt

ivita

s

17

Contoh Semikonduktor : Si

Pada semua suhu di atas titik nol mutlak , beberapa elektron valensi kristal silikon memiliki probabilitas menyebrangi gap menuju pita konduksi (300 K)

Pada suhu tinggi, semakin banyak elektron yang dapat tereksitasi ke pita konduksi.

Kisi kristal akan mengalami perubahan karena ada perpindahan itu, sehingga meninggalkan lubang yang kekurangan elektron

Pita energi Si

18

Doping Semikonduktor

Sifat listrik semikonduktor dapat diubah dengan menambahkan sejumlah atom yang berukuran hampir sama, namun dengan jumlah elektron valensi yang berbeda. Pengubahan itu disebut doping.

Ada dua jenis semikonduktor hasil doping, yaitu semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n.

19

Semikonduktor Tipe p

Semikonduktor tipe p diperoleh dengan cara mendoping atom-atom yang bervalensi lebih rendah ke dalam semikonduktor

Penambahan pengotor bervalensi tiga seperti B, Al atau Ga (akseptor elektron) ke dalam semikonduktor intrinsik (Si) menghasilkan defesiensi elektron valensi yang disebut ‘lubang’ (bermuatan positif)

Defesiensi elektron atau lubang tersebut berada pada tingkat fermi.. Elektron pada pita valensi akan mengisi rongga tersebut, sehingga aliran elektron dapat mencapai pita konduksi

20

Semikonduktor Tipe n

Semikonduktor tipe n diperoleh dengan cara mendoping atom-atom bervalensi lebih tinggi ke dalam semikonduktor.

Penambahan pengotor bervalensi lima seperti Sb, As atau P menyumbangkan elektron bebas (donor free elektron).

Elektron bebas itu berada pada tingkat fermi dan dapat masuk ke pita konduksi. Kekosongannya digantikan oleh elektron dari pita valensi, sehingga terjadi aliran elektron. Akibatnya konduktifitas semikonduktor instrinsik bertambah.

21

22

Efek Doping Silikon Oleh Posfor dan Boron

Jika silikon didoping oleh Fosfor, maka terjadi semiconductor tipe-n, karena arus listrik dibawa oleh elektronJika silikon didoping oleh boron, maka terjadi semikonduktor jenis p, karena arus listrik dibawa oleh rongga bermuatan positif

23

Penggunaan Semikonduktor

Transistor dibuat dari semikonduktor jenis n dan p. Semikonduktor seperti itu dapat dibentuk langsung

pada chip silikon dan banyak digunakan pada peralatan seperti komputer dan kalkulator

Penggabungan semikonduktor tipe p dengan tipe-n menghasilkan gabungan p-n yang berfungsi sebagai rectifier.

Rectifier adalah alat yang dapat mengalirkan arus listrik ke satu arah, namun tidak ke arah sebaliknya

24

Gabungan p-n sebagai suatu rectifier.

25

Batere silikon bertenaga sel surya atau solar sel adalah semikonduktor jenis p dan n yang ditumpuk bersama-sama. Elektron-elektron yang mengabsorpsi energi surya dapat bergerak melalui sambungan p-n sehingga menghasilkan arus listrik yang melalui kawat penghantar ((label “+” dan “-”).

26

Sel Photovoltaic

27

Kerusakan/Cacat Kisi (Lattice Defects)

Kerusakan/cacat kisi adalah penyimpangan kristal zat padat dari kisi sempurna

Cacat kisi berpengaruh terhadap konduktivitas zat Cacat kisi dapat terjadi akibat :

1. Schottky defects: Adanya bagian kisi yang tidak diisi atau dihuni. 2. Frenkel defect: Adanya atom atau ion dalam ruang atau celah di antara bagian-bagian kisi (intersisi) akibat bermigrasi ke posisi tidak normal.3. Pengotoran : Adanya ion atau atom asing di dalam bagian kisi. Pengotoran dapat disengaja karena doping

28

Kerusakan Schottky Kerusakan Frenkel

29

Pengaruh kerusakan kisi terhadap konduktivitas zat padat

Elektrolit – suatu substansi yang menghantarkan listrik melalui gerakan ion.

Hampir semua elektrolit adalah larutan atau lelehan garam, tetapi beberapa elektrolit berupa zat padat dan zat padat kristalin.

Nama yang diberikan untuk zat padat bersifat demikian adalah :

- Elektrolit padat (solid elektrolytes)- Fast Ion conductor- Superionic conductor

30

Cacat Kristal (Defects)

Konduktivitas ionik hanya dapat terjadi jika ada cacat kristal. Dua jenis cacat (defect) adalah Schottky defect dan Frenkel defect.

Kerusakan Schottky

Kerusakan Frenkel

31

Konduktivitas Ionik vs. Elektronik

Marilah kita bandingkan sifat-sifat konduktor ion dengan konduktifitas elektronik pada logam

LogamRentang konduktivitas = 10 S/cm < < 105 S/cmElectron-elektron yang membawa arus listrik

Solid ElectrolytesRentang konduktivitas = 10-3 S/cm < < 10 S/cmIon-ion yang membawa arus listrik

32

Migrasi Ion pada Schottky Defects

NaNa

NaNa

NaNa

ClCl

ClCl

ClCl

ClCl

33

Migrasi ion pada Frenkel Defect

Frenkel defects pada AgCl dapat berpindah melalui dua mekanisme.

AAgg

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

ClCl

ClCl

AgAg

22

AgAg

11

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

AAgg

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

ClCl

ClCl

AgAg

22

AgAg

11

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

AAgg

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

ClCl

ClCl

AgAg

11

AgAg

22

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

AAgg

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

ClCl

ClCl

AgAg

22

AgAg

11

AAgg

AAgg

ClCl

ClCl

Direct Interstitial Direct Interstitial JumpJump

Interstitialcy MechanismInterstitialcy Mechanism

34

Penerapan Konduktor Ionik

Ada sejumlah aplikasi praktis dari konduktor ionik yang semuanya berdasarkan sel elektrokimia, antara lain :

BatereSel Bahan Bakar

Pada sel tersebut, konduktor ionik diperlukan untuk elektrolit atau elektrode atau untuk kedua-duanya,

ElectrolyteElectrolyte

AnodeAnode CathodeCathode

UsefulPower

ee- -

35

Diagram Sel Bahan bakar oksida padat

36

Diagram Batere isi ulang Li

37

Contoh Elektrolit PadatKonduktor ion Ag+ :

AgI & RbAg4I5Konduktor ion Na+ :

natrium -Alumina (contoh : NaAl11O17, Na2Al16O25)NASICON (Na3Zr2PSi2O12)

Konduktor ion Li+ :LiCoO2, LiNiO2LiMnO2

Konduktor ion O2- :Kristal kubus ZrO2 (YxZr1-xO2-x/2, CaxZr1-xO2-x) -Bi2O3Perovskites (Ba2In2O5, La1-xCaxMnO3-y, …)

Konduktor ion F- :PbF2 & AF2 (A = Ba, Sr, Ca)