Pengantar Elektronika

1. PengantarElektronika ILHAM, S.Pd. 2011

2. ELEKTRONIKA Pengantar : Dalamkehidupansehari-harikitabanyakmenemuisuatualat yang mengadopsielektronikasebagai basis teknologinyacontoh ; Dirumah, kitaseringmelihattelevisi, mendengarkanlagumelalui tape atau CD, mendengarkan radio, berkomunikasidengantelephone. Dikantorkitamenggunakankomputer, mencetakdengan printer, mengirimpesandenganfaximile, berkomunikasidengan telephone. Dipabrikkitamemakaialatdeteksi, mengoperasikanrobot perakit, dansebagainya. Bahkandijalanrayakitabisamelihatlampulalu-lintas, lampupeneranganjalan yang secaraotomatishidupbilamalamtiba, ataupapanreklameyang terlihatindahberkelap-kelipdanmasihbanyakcontoh yang lainnya. Dari semuauraiandiataskitadapatmembuktikanbahwapadazamansekaranginikitatidakakanlepasdariperangkat yang menggunakanelektronikasebagaidasarteknologinya. Alat-alatyang menggunakandasarkerjaelektronikasepertidiatasbiasanyadisebutsebagaiperalatanelektronik(electronic devices)

3. Peralatanelektronik (Electronic Device)

4. Pengertian • Elektronikamerupakanilmu yang mempelajarialatlistrikaruslemah yang dioperasikandengancaramengontrolaliranelektronataupartikelbermuatanlistrikdalamsuatualatsepertikomputer, peralatanelektronik, termokopel, semikonduktor, dan lain sebagainya. • Ilmu yang mempelajarialat-alatsepertiinimerupakancabangdariilmufisika, sementarabentukdesaindanpembuatansirkuitelektroniknyaadalahbagiandariteknikelektro, teknikkomputer, danilmu/ teknikelektronikadaninstrumentasi.

5. SejarahPerkembangan Revolusibesar-besaranterhadapelektronikaterjadisekitartahun 1960-an, dimanasaatitumulaiditemukansuatualatelektronika yang dinamakan Transistor, sehinggadimungkinkanuntukmembuatsuatualatdenganukuran yang kecildimanasebelumnyaalat-alattersebutmasihmenggunakantabung-tabungfacum yang ukurannyabesarsertamengkonsumsilistrik yang besar Hanyadalamkurunwaktu 10 tahunsejakditemukannya transistor, ditemukansebuahrangkaianterintegrasi yang dikenaldengan IC (Integrated Circuit) merupakansebuahrangkaianterpadu yang berisipuluhanbahkanjutaan transistor di dalamnya. Sehinggakitabisamelihatsebuahperangkatelektronikasemakinkecilbentuknyatetapisemakinbanyakfungsinyasebagaicontoh telephone genggam ( Handphone ) yang andapakaisaatinidengan telephone genggam yang andapakaibeberapatahun yang lalu. semuaituberkatrevolusiSilikonsebagaibahandasarpembuatan Transistor dan IC atau CHIP.

6. KomponenElektronika Elektronikamempunyai 2 komponendiantaranyayaitu : 1. KomponenPasif Komponenpasifmerupakankomponen yang dapatbekerjatanpasumbertegangan. KomponenpasifterdiridariHambatanatautahanan, kapasitorataukondensator, induktorataukumparandantransformator. 2. KomponenAktif Komponenaktifmerupakankomponen yang tidakdapatbekerjatanpaadanyasumbertegangan. Komponenaktifterdiridaridiodadan transistor.

7. 1 TEORI DASAR ELEKTRONIKA

8. ATOM • Atom adalahsatuan yang amatkecildalamsetiapbahan yang ada di sekitarkita. Atom terdiriatastigajenispartikelsubatom: • elektron, yang memilikimuatannegatif; • proton, yang memilikimuatanpositif; • neutron, yang tidakbermuatan.

9. Gambar Model Atom Gbr. 1.1 Setiapunsuradalahunik yang dibedakanolehjumlah proton yang terdapatdalam atom dariunsurtersebut. Setiap atom memilikijumlahelektron yang samadenganjumlah proton; bilaadaperbedaan atom tersebutdisebut ion.

10. Inti Atom • Pusatdari atom disebutinti atom ataunukleus. Inti atom terdiridari proton dan neutron. Banyaknya proton dalaminti atom disebutnomor atom, danmenentukanberupaelemenapakah atom itu • Ukuraninti atom jauhlebihkecildariukuran atom itusendiri, danhampirsebagianbesartersusundari proton dan neutron, hampirsamasekalitidakadasumbangandarielektron.

11. Lanjutan : Proton dan neutron memilikimassa yang hampirsama, danjumlahdarikeduamassatersebutdisebutnomormassa, danberatnyahampirsama. Massa darielektronsangatkecildantidakmenyumbangbanyakkepadamassa atom. Jumlah proton dan neutron menentukantipedarinukleusatauinti atom. Proton dan neutron hampirmemilikimassa yang sama, dankombinasijumlah, jumlahmassa, rata-rata samadenganmassaatomiksebuah atom. Kombinasimassadarielektronsangatkecilsecaraperbandinganterhadapmassanukleus, di karenakanberatdari proton dan neutron hampir 2000 kali massaelektron.

12. Neutron Neutron ataunetronadalahpartikelsubatomik yang tidakbermuatan (netral) danmemilikimassakg, sedikitlebihberatdari proton. Inti atom darikebanyakan atom terdiridari proton dan neutron. Perbedaanutama neutron denganpartikelsubatomiklainyaadalahmerekatidakbermuatan. Sifat neutron inimembuatpenemuannyalebihterbelakang, dansangatmenembus, membuatnyasulitdiamatisecaralangsungdanmembuatnyasangatpentingsebagaiagendalamperubahannuklir.

13. Proton Dalam fisika, proton adalahpartikelsubatomikdenganmuatanpositifsebesar coulomb danmassakg, atausekitar 1800 kali massasebuahelektron. Suatu atom biasanyaterdiridarisejumlah proton dan neutron yang berada di bagianinti (tengah) atom, dansejumlahelektron yang mengelilingiintitersebut. Dalam atom bermuatannetral, banyaknya proton akansamadenganjumlahelektronnya. Banyaknya proton di bagianintibiasanyaakanmenentukansifatkimiasuatu atom. Inti atom seringdikenaljugadenganistilahnuklei, nukleus, ataunukleon (bhsInggris: nucleon), danreaksi yang terjadiatauberkaitandenganinti atom inidisebutreaksinuklir.

14. Elektron Elektron adalahpartikelsubatomik. Memilikimuatanlistriknegatifsebesar -coulomb, danmassanyakg. Elektronumumnyaditulissebagai e-. Elektronmemilikipartikellawan yang dikenalsebagai positron, yang identikdengandirinyanamunbermuatanpositif. Atom tersusundariintiberupa proton dan neutron sertaelektron-elektron yang mengelilingiintitadi. Elektronsangatringanjikadibandingkandengan proton danneutron. Sebutir proton sekitar 1800 kali lebihberatdaripadaelektron.

15. SatuanenergieV (elektron volt) Satuan Joule terlalubesaruntukdigunakandalamperhitunganenergielektron. Untukitudigunakansatuan lain, yaitu : eV (elektron Volt). Dalampembahasanmengenaienergi yang terlibatdalamperalatanelektronik, suatusatuankerjaatauenergi, disebutelektron volt (eV) didefinisikansebagaiberikut: 1 eV = Joule

16. Lanjutan : entusajasetiapjenisenergi, apakahenergitersebutenergilistrik, mekanis, termal, dansebagainyadapatdinyatakandalamelektron volt. Namasatuanelektron volt, disebabkanolehkarenaelektron yang mengalamipenurunanpotensial 1 volt, energikinetiknyaakannaikdenganpenurunanenergipotensial, atau qV = (1,60 x 10-19C)(1V) = 1,60 x 10-19J = 1 eV

17. SIFAT ATOM • Postulat Bohr • Tidaksemuaenergimenurutmekanikaklasikdapatterjadi, atom hanyadapatmemilikienergi-energidiskrittertentusaja. Elektron, selamaberadadalamkeadaanbersesuaiandenganenergidiskritini, tidakmemancarkanradiasidandikatakanbahwaelektrontersebutberadadalamkeadaanstasionerataukeadaantidakmemancar. • Dalamperpindahandarisuatukeadaanstasionerdenganenergi W2kekeadaanstasioner yang lain denganenergi W1, radiasiakandipancarkan. Frekuensienergi yang dipancarkaninidiberikandiberikanoleh dimana h= konstanta plank dalam joule per second, nilai-nilai w diberikandalam joule dan f dalam Hertz (getaran per detik)

18. Lanjutan • Keadaanstasionerditentukanolehpersaratan, bahwa momentum sudutelektrondalamkeadaanini “dikuantisasikan”, yaitu momentum suduttersebutmerupakankelipatandarih/2π. • dimana n suatubilanganbulat r jarakdariinti (dalam meter) m massa • dalam kilogram

19. Lima tingkatanenergiterendahdantingkatanionisasidarihidrogen, garisspektraldinyatakandalamsatuan angstrom Gbr. 1.2

20. Lanjutan • Istilahfotonmenunjukkanbanyakenergi yang dipancarkan, yang samadengankonstanta h kali frekuensi. Sifatgelombangelektromagnet yang terkuantisasiinimula-muladitemukanolehplanckpadatahun 1901. • Pemancarancahayaoleh atom, merupakansuatu proses yang discontinyuartinya, Atom hanyaakanmemancarkancahayabilaiamemuatperpindahandarisatutingkatenergiketingkatenergi yang lain yang lebihrendah. Dalamtransisiini atom memancarkanenergi yang tertentubesarnyadengansuatufrekuensitertentu, yaitusatufotoncahayaenerginyahf . • Garis-garisspektra. Panah-panahdalamGambardiatasmenggambarkan 6 buahtransisiantarakeadaan-keadaanstasioner. Bilangan-bilangan yang berkaitandenganpanah-panahtersebutmenunjukkanpanjanggelombangpemancaran. Misalnya, garis ultraviolet 1.216 Å dipancarkanapabila atom hidrogenturundaritingkatantereksitasi yang pertama, n = 2, kekeadaan normal n = 1.

21. Lanjutan • Suatucara yang pentinguntukmengeksitasikan atom kesuatutingkatantereksitasi, adalahdenganmemancarkanradiasipadasuatu gas. Cara inidisebutdenganfotoeksitasi. Sebuah atom dapatmenyerapfoton yang frekuensinyaf, danolehkarenanyapindahdaritingkatanenergi W1 ketingkat W2 yang lebihtinggi, dimanaW2 = W1 + hf. Suatuciri yang sangatpentingdarieksitasidenganpenangkapanfotonadalah, bahwafotontersebuttidakakandiserap, kecualiapabilaenerginyatepatsamadenganselisihenergidari 2 keadaanstasioner atom yang menangkapfotontersebut. Misal atom hidrogendalamkeadaan normal, akandinaikkanketingkateksitasipertama, denganmenggunakanpemancarandenganpanjanggelombang 1.216 Å (yang merupakanspektrum di daerah ultraviolet).

22. Lanjutan • Fotoionisasi. Apabilafrekuensigelombang yang menumbuk atom cukupbesar, adakemungkinaniamemilikicukupenergiuntukmengionkan atom tersebut. Fotonakanmenghilangkanbersamaandenganmunculnyaelektrondengan ion positif. Berbedadengan yang terjadipadafotoeksitasi, dalamionisasienergifotontidakusahtepatsamadenganenergiionisasidari atom yang bersangkutan. Iamemerlukanenergisekurang-kurangnyasamadenganenergiionisasi. Apabilafotonmemilikienergilebihbesardaripadaenergiionisasi, kelebihanenergitersebutakanmunculsebagaienergikinetikdarielektron yang dilepaskandandari ion positif.

23. STRUKTUR ELEKTRONIK DARI ELEMENT Larangan Pauli. Susunanberkaladariunsur-unsurdapatdijelaskandenganhukum yang diketemukan Pauli tahun 1925. Hukumtersebutmengatakan: “Tiadaduaelektrondalamsuatusistemelektrondapatmempunyaikumpulanbilangankuantum n, l, m1 danms yang sama.” Pernyataan, bahwatiadaduaelektrondapatsatukeadaankuantum yang samadikenalsebagaiprinsiplaranganpauli Tabel :KonfigurasiElektronikdalamgolongan IV A

24. TEORI PITA ENERGI KRISTAL Apabilajarak atom dalamkristaldiperkecil (bergerakdarikanankekiridalamGambar 1.3a) atom akanmengeluarkangayalistrikpadalingkungannya. Olehkarenainteraksiini, fungsigelombang atom-atom akanbertumpangtindih (overlap), dankristaltersebutakanmerupakansuatusistemelektronik yang harustundukpadaprinsiplaranganpauli. Olehkarenaitu, 2N keadaan s yang berimpitsekarangharusmenyebar. Jarakantartingkatenergiinikecil, akantetapiolehkarena N besarsekali (yaitu ~ 1023 cm-3), pelebaranjarakantaraenergimaksimumdan minimum dapatbeberapaeVbilajarakantara atom cukupdidekatkan. Tingkat energi yang sangatberdekatan, tapibesarsekalicacahnyadisebutpita energidansecaraskematikdalamGambar 1-3a ditandaidenganmenggelapkanbagian yang bersangkutan. 2N keadaandalam pita inisepenuhnyadiisi 2N elektron. Denganjalan yang sama, bagianatasdaridaerah yang dihitamidalamGambar 1-3a, adalahsuatu pita dari 6N keadaan, hanya 2N di antarakeadaan-keadaanituterisiolehelektron.

25. Gambarantingkatenergi atom yang terisolasidibagimenjadi band energiuntukmembentukkristal Gbr. 1.3

26. ISOLATOR, SEMIKONDUKTOR DAN LOGAM • Isolator. Struktur pita energidariGambar 1-3b padajarak atom dalamkisi yang normal diperlihatkansecaraskematikpadaGambar 1-4a. Untukkristalintan(karbon) daerahterlarang yang tidakmengandungkeadaankuantum, tingginyabeberapaeV. (EG ≈ 6eV). Pita terlarang yang lebarinimemisahkandaerahvalensi yang penuhdari pita konduksi yang kosong. Energi yang dapatdiberikankepadaelektron, olehmedanlistrik yang diterapkan, terlalukeciluntukmemindahkanelektrondari pita yang penuhke pita yang kosong. Olehkarenaelektrontidakdapatmemperolehenergi yang mencukupi, makapenghantarantidakmungkinberlangsung, olehkarenaituintanmerupakansuatu isolator.

27. Struktur Pita energi(a) sebuah Isolator, (b) sebuahSemikonduktor, (c) sebuahlogam Gbr. 1.4

28. Lanjutan • Semikonduktor. Suatubahandenganlebar pita terlarang yang relatifkecil (~ 1 eV) disebutSemikonduktor. Bahansemikonduktor yang pentingdanpraktisadalah germanium dansilikon yang nilai-nyaberturut-turut 0,785 dan 1,21 eVpadaK. sehinggabahan-bahaninibersifat isolator padatemperaturrendah. Apabilatemperaturdinaikkan, sebagianelektronvalensimemperolehpanastermal yang lebihbesardari, olehkarenanyaelektrontersebutmemasuki pita konduksi. Sekarangelektron-elektroninibebas, dalamartielektron-elektrontersebutmudahbergerakwalaupundipengaruhiolehmedan yang kecil. Isolator inisekarangmulaidapatmenghantarkanarus, dandisebutsemikonduktor. Ketidakhadiranelektrondalam pita valensidigambarkandenganlingkaran-lingakarankecildalamGambar 1-4b dandisebutlubang.

29. Lanjutan • Logam. Suatuzatpadat yang mempunyaistruktur pita yang hanyasebagianterisidisebutlogam. Bahaninimerupakankonduktordan pita energi yang terisisebagianmerupakan pita konduksi. Suatucontohdaristruktur pita sebuahlogamdiberikandalamGambar 1-4c. dimanaditunjukkan pita valensidan pita konduksibertumpangtindih.

30. GEJALA TRANSPORT DALAM SEMIKONDUKTOR Arusdalamsebuahlogamdisebabkanolehaliranmuatannegatif (elektron-elektron). Sedangkandalamsemikonduktorsebagaihasilgerakkeduanyaelektrondanmuatanpositif (lubang-lubang). Sebuahsemikonduktordapatdiisidengan atom takmurniansehinggaarus yang mengalir, terutamadisebabkanolehelektronsajaatauolehlubangsaja.

31. MOBILITAS DAN KONDUKTIVITAS Akibatdarikekuatanmedanelektrostatikinielektronakanterusmenerusdipercepatdankecepatanelektronakanmakintinggi, seandainyatidakterjaditumbukandengan ion. Akan tetapidalamsetiaptumbukantidakelastikdengan ion, elektronakankehilanganenergidansuatukeadaanstasionerakandicapaidimanakecepatanhanyut v akandiperoleh. Kecepatanhanyutiniarahnyaberlawanandenganarahmedanlistrik. Kecepatandalamwaktu t antaraduatumbukanadalah at, dimana a = qε / m adalahpercepatan. Olehkarenaitukecepatan v iniakanberbandinglurusdenganε. Jadi: v = με dimanaμ (meter kuadrat per detik) disebutmobilitasdarielektron.

32. ELEKTRON DAN LUBANG DALAM SEMIKONDUKTOR INTRINSIK • Lubang. Padatemperaturkamar, beberapaikatankovalenakanpataholehenergipanas yang diberikankepadakristal, dankonduksidimungkinkan. Keadaaninidilukiskanpadadibawah. Disinidilukiskansebuahelektron, sedangdiusirdankarenanyamengembarasecaraacakdalamkristal. Energi EG yang diperlukanuntukmematahkanikatankovalentersebutadalahsekitar 0,72 eVuntuk germanium dan 1,1 eVuntuksilikonpadatemperaturkamar. KetiadaanelektrondariikatankovalendariGambardibawahdigambarkandenganlingkarankecildanikatankovalen yang taklengkapspertiitudisebutlubang

33. Lanjutan • Mekanismelubangmelakukanpenghataran, secarakualitatifadalahsebagaiberikut: Apabilasebuahikatantidaklengkap, relatiflebihmudahbagielektronvalensidarisautu atom di tegangannyameninggalkanikatankovalennyadanmengisilubangini. Suatuelektron yang meninggalkansuatuikatanuntukmengisilubang yang lain akanmembentukakanmembentuklubangdalamikatan yang ditinggalkan. • Dalamsemikonduktormurni(intrinsik) banyaknyalubangsamadenganbanyaknyaelektronbebas. Gerakantermalterusmenerusmenghasilkanpasanganelektronlubang yang baru, sedangkanelektronlubang yang lain menghilangsebagaiakibatrekombinasi. Konsentrasi (rapat) lubangpharussamadengankonsentrasirapatelektronn, sehingga • n = p = ni (2-10) • dimananidisebutkonsentrasiataurapatintrinsik.

34. TAKMURNIAN DONOR DAN AKSEPTOR • Apabilakitatambahkanpadasilikonatau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensitigaatau lima makaterbentuksemikonduktor yang takmurni, yang disebutekstrinsik. • Donor-Donor. Apabila atom takmurnianmempunyai lima elektronvalensi, makastrukturkristalakandiperoleh. Atom takmurnianakanmenggeserbeberapa atom germanium darikisi-kisikristal. Takmurnianiniakanmemberikankelebihanelektronsebagaipembawamuatannegatif, olehkarenadikenalsebagaitakmurniandonoratautipe-n. Apabilatakmurniak donor ditambahkanpadasuatusemikonduktor, tingkatenergi yang diperkenankanakanberadasedikitdibawah pita konduksi • Akseptor. Apabilatakmurniantrivalen (valensitiga) ditambahkanpadasemikonduktorintrinsikhannyatigaikatankovalen yang diisi, kekosongan yang terjadipadaikatankeempatakanmembentuklubang. Takmurnianinikarenanyadisebutakseptor, atautakmurniantipe-p. Apabilatakmurnianakseptor, atautipe-p, ditambahkanpadasemikonduktorintrinsik, akanterbentuktingkatanenergi yang diperbolehkan yang letaknyasedikit di atas pita valens

35. RAPAT-RAPAT MUATAN DALAM SEBUAH SEMIKONDUKTOR • np = ni2 , memberikanhubunganantararapat (konsentrasi) elektronndanrapatlubangp. Rapat-rapatiniselanjutnyamemenuhihukumnetralitas. • ND + p = NA + n (2-11) • , dimanaNDadalahrapat atom donor, NArapat atom akseptor. • Pandang bahantipe-n dengan NA = 0. olehkarenabanyaknyaelektronjauhmelebihijumlahbesardaribanyaklubang (n>>p) dalamsemikonduktortipe-n. makapersamaan (2-11) menjadi • n ≈ ND(2-12) • dalambahantipe-n, konsentrasielektronbebaskira-kirasamadenganrapat atom • donor. • Dalampemakaiannya di kemudianhari, kitamempelajariciri-ciribahan-bahantipe-p dantipe-n, kemudianmengkaitkanyasatudengan yang lain. Olehkarenaadakemungkinanterkecohbahanmana yang sedangditinjaupadasuatusaat, makakitatambahkanindeks n atau p untukbahan-bahantipe n atautipe-p. JadiPersamaan (2-12) dapatditulislebihjelassebagai. • nn≈ ND

36. TUGAS I : Buatlahmakalah/rangkumanmaterimenyangkutenergi atom dansemikonduktor minimal 3 halaman…….??? Dikumpulpadapertemuanselanjutnya…..

37. Andabisa, jikaAndaberpikirbisa, selamaakalmengatakanbisa. Batasanapakahsesuatumasukakalatautidak, kitalihatsaja orang lain, jika orang lain telahmelakukannya atautelahmencapaiimpiannya, makaimpiantersebutadalahmasukakal. Kita tidak bisa mengajari orang apapun Kita hanya bisa membantu mereka menemukannya di dalam diri mereka (Galileo Galilei)