Belajar aja......

1.1 Konduksi di dalam zat padat

Adanya aliran arus listrik di dalam sebuah zat padat disebabkan karena pergerakan electron-elektron. Meskipun electron-elektron tersebut bermuatan negative berdasarkan kesepakatan para ilmuwan, aliran listrik dianggap mengalir dari kutub positif sebuah tegangan. Sehingga arah aliran listrik di dalam zat padat sebenarnya berlawanan dengan aliran electron-elektron. Maka pergerakan electron-elektron yang bermuatan tersebut didefinisikan sebagai arus I dengan satuan Ampere (A),

(1)

merupakan lambang dari perubahan jumlah muatan (satuan, Coulomb ( C )), merupakan lambang dari perubahan waktu dari aliran elektron-elektron (satuan, second ( s )).

Bila kita lihat model atom Bohr, dimana materi yang tersusun dari atom-atom, tiap atomnya terdiri dari muatan positif yang berasal dari proton dan neutron yang berada di dalam inti. Proton dan neutron tersebut dikelilingi oleh muatan negative yang berasal dari electron. Jumlah elektron yang mengorbit tersebut sama dengan jumlah proton. Peristiwa itu menyebabkan atom tersebut menjadi netral. Disini kita akan lihat sebuah contoh zat padat yang bersifat konduktor (metal) seperti Alumunium, Aluminium atom-atomnya tersusun membentuk struktur kristal. Di dalam Alumunium, elektron-elektron yang tersusun di dalam atom tersebut memiliki energi kinetik akibat dari gerakan dan energi potensial karena adanya gaya Coulomb diantara muatan positif dan muatan negatif.

Di dalam atom tunggal, berdasarkan teori atom Bohr, elektron memiliki energi berdasarkan keadaannya (state), biasa disebut state energi. Meskipun demikian dekatnya jarak antara atom tetangga di dalam materi konduktor tersebut memberikan pengaruh kepada energi potensial dari elektron yang mengorbit di dalam tiap atom. Di dalam sebuah zat padat kristal yang atom-atomnya tersusun secara teratur akan mengalami interaksi. Interaksi dari atom-atom tersebut menimbulkan pergeseran energi level. Sehingga dampaknya adalah tiap state energi di dalam atom akan mengalami pemisahan (splitting) energi yang tergantung pada jumlah atom tetangganya. Dengan demikian energi yang terpisah itu akan membentuk dua buah jenis pita energi yang terpisah oleh gap, sehingga disebut sebagai energi gap. Maka apabila ada elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi energi minimumnya akan sama dengan energi gap. Jadi energi gap bisa juga diartikan sebagai energi minimum yang dibutuhkan oleh elektron yang berada di pita valensi untuk bergerak menuju pita konduksi. Energi gap antara pita valensi dan konduksi berada di dalam orde elektron volt (1 elektron volt (eV) = 1.6 x 10^-19 Joule (J)). Energi valensi merupakan energi terbesar yang berada di pita valensi (valence band) di dalam sebuah atom. Elektron-elektron yang berada di orbit terluar dari pita valensi akan mengalami ikatan (bound) dengan elektron yang berasal dari atom tetangganya, elektron itu disebut elektron valensi. Elektron-elektron valensi itulah yang menentukan sifat kimia dari atom. Bila elektron valensi tersebut mendapatkan energi yang cukup untuk menembus energi gap, maka elektron-elektron tersebut akan bergerak ke level energi yang lebih tinggi (pita konduksi). Energi yang lebih tinggi itu biasa disebut sebagai energi konduksi (conduction band). Selama elektron yang berada di dalam pita konduksi tidak mengalami ikatan dengan atom lainnya, elektron tersebut akan bebas bergerak di dalam kristal. Gerakan dari elektron-elektron di dalam kristal akan memberikan kontribusi timbulnya arus listrik.

Dari karakteristik energy gap sifat materi dapat dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu isolator, semikonduktor, dan konduktor. Energi gap dari ketiga sifat materi tersebut dapat dilihat pada gambar 1.

Di dalam sebuah metal, energi level dari elektron-elektron tersebut memiliki jarak yang berdekatan, sehingga terlihat kontinu dan energi gap antara pita valensi dan konduksinya cukup kecil atau bisa juga overlap. Sehingga apabila diberikan pengaruh medan listrik akan menimbulkan pergerakan elektron-elektron yang berada di dalam pita valensi atau pita konduksi. Fenomena ini memberikan juga kontribusi terhadap munculnya arus listrik di dalam metal. Untuk isolator, pita valensi terisi penuh (semua elektron mengisi orbital dengan keadaan energi yang sesuai) sementara itu pita valence kosong. Bagaimana dengan energi gapnya? Energi gap di dalam sebuah isolator memiliki jarak yang lebar, berada pada rentang kurang lebih 3 eV pada temperatur ruang. Mungkinkah memindahkan elektron yang berada di dalam pita valensi pada isolator? Untuk memindahkan elektron di dalam pita valensi dibutuhkan tingkat energi yang berasal dari luar (energi eksternal), tentunya energi tersebut haruslah lebih besar dari energi gap pada isolator tersebut. Ketika diberikan energi untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi dimungkinkan terjadinya dielectric breakdown selama proses konduksi.

Pada tabel 1.1 ditampilkan besarnya energi gap dari beberapa bahan semikonduktor pada temperatur ruang (300 K).

Tabel 1.1

Kita kembali lihat fenomena yang terjadi di dalam metal, di dalam metal arus listrik sangat tergantung pada kecepatan aliran elektron-elektron. Pada temperatur ruang elektron-elektron tersebut memiliki cukup energi untuk masuk ke dalam pita valensi. Elektron-elektron yang bergerak di dalam pita konduksi elektron memberikan kontribusi kepada sifat konduksi metal. Di dalam metal gerakan elektron-elektron cenderung konstan bergerak di dalam kisi kristal. Dengan menggunakan teori kinetik gas, kecepatan rata-rata dari elektron-elektron tersebut dalam keadaan kesetimbangan temperatur (temperatur ruang) kira-kira mendekati 10⁵ m/s (pembuktian diserahkan kepada pembaca). Atom-atom yang kehilangan elektron di dalam pita valensi disebut sebagai ion-ion. Ion-ion tersebut bervibrasi sesuai dengan kesetimbangannya di dalam kristal. Sebagai akibatnya berdasarkan dari model gas elektron, terdapat tumbukan elastik dan tidak elastik diantara lautan yang bebas dari pengaruh elektron dengan ion-ion yang bergerak stationer tersebut. Tumbukan yang dihasilkan tidak menimbulkan arus listik dikarenakan tidak ada jumlah aliran elektron per satuan waktu, dan elektron-elektron yang terpantul pada lautan gas juga tidak memberikan kontribusi pada arus listrik (mengapa?).

Ketika diberikan medan listrik uniform E (V/m) electron-elektron yang bergerak secara random akan mengalami kecepatan stabil (steady) berlawanan dengan arah medan. Peristiwa tersebut lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut ini, (SM Sze).

Gambar

Kecepatan yang berubah akibat adanya medan listrik menghasilkan jumlah aliran elektron, dari peristiwa tersebut aliran elektron yang berlawanan arah dengan medan listrik disebut kecepatan drift. Sedangkan untuk hole (muatan positif) geraknya searah dengan medan listrik. Dari fenomena tersebut dapat diformulasikan bahwa kecepatan drift adalah,

(2)

Kecepatan drift sebanding dengan konstanta (m²/Vs), yang disebut sebagai mobilitas elektron. Mobilitas dari elektron bergantung pada struktur fisis dari material, karena secara alamiah gerak random dari elektron-elektron dan energi yang ditransfer selama tumbukan dengan ion-ion hanya akan menghasilkan kecepatan drift dan mobilitas. Tentunya baik kecepatan drift dan mobilitas akan sangat bergantung dari jenis materialnya, contoh, mobilitas tembaga adalah , sedangkan mobilitas alumunium adalah .

Jika n adalah jumlah aliran elektron bebas yang melewati satuan volume dengan kecepatan drift v, kerapatan arus drift J dapat diekspresikan sebagai,

A/m² (3)

dimana e adalah muatan dari elektron, dengan menggunakan persamaan (2) maka persamaan (3) menjadi,

(4)

Persamaan 4 tersebut adalah deskripsi dari Hukum Ohm, , dimana

(5)

s adalah konduktivitas dengan satuan Siemen/meter atau S/m (W-m)^-1, sedangkan kebalikannya satuannya dalam m/S (W-m) adalah resistivitas dari material. Metal dapat dikarakterisasi dengan melihat konduktivitas yang besar dan resistivitas yang rendah. Insulator listrik seperti silicon diokside sebagai insulator maka memiliki resistivitas yang besar. Tabel 2.2 menunjukan karakteristik nilai dari konduktivitas dan resistivitas untuk beberapa material yang sudah dikenal.