Bahan Semikonduktor (Semiconductor materials)

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan  atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.Tahun 1906 ,pickard merancang suatu diode detector dari Kristal slikon yang disebut dengan nama Cat’s wishker, dimana alat yang di buatnya ini terdiri atas suatu kawat yang disambungkan dengan Kristal silikon. Alat inilah yang dikenal sebagai dioada semikonduktor yang pertama.dalam bidang industri penemuan komponen semikonduktor mengakibatkan banyak perubahan dalam kehidupan manusia; terutama dilihat  mamfaatnya dalam membantu kelancaran proses industri, diantaranya:

1.   Dipergunakannya komponen pasif seperti hambatan,kapasitor,inductor,dan transformator sebagai kelengkapan dalam menyusun suatu rangkaian elektronik.

2.   Dibuatnya alat elektronik radio AM, radio FM, penguat suara hi-fi, TV warna, pemancar FM.

3.   Penggunaan alat elektronik untuk mengatur dan menjalankan mesin-mesin industry,dengan ditemukannya; diode tegangan tinggi, diode daya tinggi.

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Gallium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada di bumi setelah oksigen (O₂). 

Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon. Dapatkah anda menghitung jumlah pasir di pantai.Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0^oK), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.

Gb. struktur dua dimensi kristal Silikon

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. 

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik. Kenyataannya demikian, mereka memang iseng sekali dan jenius. Mengenai sifat dari semikonduktor, berikut table dari sifat bahan semikonduktor :

Jenis-jenis Semikonduktor

Ada dua jenis semikonduktor, yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.

1. Semikonduktor Intrinsik

Semi konduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum mengalami penyisipan oleh atom akseptor atau atom donor. Pada suhu tinggi elektron valensi dapat berpindah menuju pita konduksi, dengan menciptakan hole pada pita valensi. Pengahantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole.

Gb. struktur pita untuk (a). bahan isolator  (b). bahan semikonduktor  

(c). bahan isolator

2. Semikonduktor Ekstrinsik

Semikondutor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing.

Tujuan doping adalah meningkatkan konduktivitas semikonduktor, dan memperoleh semikonduktor dengan hanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja. Perbandingan doping :

Atom dopant : Atom murni = 1 : 10⁶ s.d. 10⁸

Copyright by Ilmu listrik (Electrical Science) | by Rusman Nazari

Cara Menghitung Nilai Resistor (How to Calculate the Value Resistor)

Menghitung nilai resistansi pada resistor merupakan hal yang penting saat kita mempelajari bidang elektro atau elektronika, maka kali ini saya akan membagi sedikit ilmu tentang gelang warna pada resistor dan bagaimana cara menghitung nilai resistansinya.

Kode Warna Resistor

Resistor yang menggunakan kode warna ada 3 macam, yaitu:

1. Resistor dengan 4 pita warna dengan 1 pita warna untuk toleransi.

2. Resistor dengan 5 pita warna dengan 1 pita warna untuk toleransi

3. Resistor dengan 5 pita warna dengan 1 pita warna untuk toleransi dan 1 pita warna untuk reliabilitas

Sedangkan ukuran resistor bermacam macam sesuai dengan ukuran daya resistor itu. Dipasaran terdapat beberapa ukuran daya seperti ditunjukkan pada Gambar 1, Gambar 2 untuk komposisi karbon dan Gambar 3, Gambar 4 untuk metal film

Kode warna resistor dapat disederhanakan seperti pada Gambar di bawah ini.

GGb. Tabel warna pada resistor

Cara menggunakan tabel pada Gambar diatas adalah sebagai berikut:

1. Kolom colour menunjukkan warna pita pita pada resistor. Supaya mudah dihafal maka dapat diringkas menjadi hi-co-me-ji-ku-hi-bi-u-a-p-em-per-no, yaitu kempanjangan dari hitam-coklat-merah-jingga(oranye)-kuning-hijau-biru-ungu-abu abu-putih-emas-perak-no warna.
2. Kolom band a, band b, band c, adalah pita resistor yang menunjukkan angka resistansi.
3. Kolom band d adalah pita resistor yang menunjukkan nilai resistansi namun dikalikan dengan nilai pada band a, band b, band c.
4. Kolom band d adalah pita resistor yang menunjukkan nilai toleransi.
5. Kolom band e adalah pita resistor yang menunjukkan nilai reliabilitas.
6. Untuk membedakan resistor dengan 5 pita dengan pita terakhir adalah toleransi dan 5 pita dengan pita terakhir adalah reliabilitas adalah dengan melihat jarak pita terakhir. Jika jaraknya lebar maka pita kelima adalah reliabilitas dan jika jaraknya sama dengan pita pita yang lain maka pita kelima adalah toleransi.
7. Pita pertama suatu resistor adalah yang paling dekat dengan ujung resistor

Contoh : 

1. Berapa nilai resistor di bawah ini?

Jawab

Resistor ini memliki 5 pita warna dengan satu pita terakhir memiliki jarak terpisah.

Pita pertama kuning: (hi-co-me-ji-ku) => 4

Pita kedua abu abu: (hi-co-me-ji-ku-hi-bi-u-a) => 8

Pita ketiga ungu: (hi-co-me-ji-ku-hi-bi-u) => 7

Pita keempat merah: (hi-co-me) => x 100

Pita kelima emas: (hi-co-me-ji-ku-hi-bi-u-a-p-em) => toleransi + 5 %

(*) jadi nilai resistansinnya sebesar 48700 ohm atau 48K7 dengan toleransi + 5 %

2. Berapa nilai resistor di bawah ini?

 

Jawab

Resistor ini memliki 5 pita warna dengan satu pita terakhir memiliki jarak terpisah.

Pita pertama coklat: (hi-co) => 1

Pita kedua putih: (hi-co-me-ji-ku-hi-bi-u-a-p) => 9

Pita ketiga kuning: (hi-co-me-ji-ku) => 4

Pita keempat coklat: (hi-co) => x 10

Pita kelima coklat: (hi-co) => toleransi + 1 %

(*) jadi nilai resistansinnya sebesar 1940 ohm atau 19K4 dengan toleransi + 1 %

Copyright by Ilmu listrik (Electrical Science) | by Rusman Nazari

Rangkaian Listrik (Electrical Circuits)

Definisi - Definisi 

Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling 

dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan 

tertutup. 

Elemen atau komponen yang akan dibahas pada mata kuliah Rangkaian Listrik terbatas 

pada elemen atau komponen yang memiliki dua buah terminal atau kutub pada kedua 

ujungnya. Untuk elemen atau komponen yang lebih dari dua terminal dibahas pada mata 

kuliah Elektronika. 

Pembatasan elemen atau komponen listrik pada Rangkaian Listrik dapat dikelompokkan 

kedalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang 

menghasilkan energi dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus, mengenai 

sumber ini akan dijelaskan pada bab berikutnya. Elemen lain adalah elemen pasif 

dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, dapat dikelompokkan menjadi 

elemen yang hanya dapat menyerap energi dalam hal ini hanya terdapat pada komponen 

resistor atau banyak juga yang menyebutkan tahanan atau hambatan dengan simbol R, 

dan komponen pasif yang dapat menyimpan energi juga diklasifikasikan menjadi dua 

yaitu komponen atau lemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam 

hal ini induktor atau sering juga disebut sebagai lilitan, belitan atau kumparan dengan 

simbol L, dan kompone pasif yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet dalam 

hal ini adalah kapasitor atau sering juga dikatakan dengan kondensator dengan simbol 

C, pembahasan mengenai ketiga komponen pasif tersebut nantinya akan dijelaskan pada 

bab berikutnya.

Elemen atau kompoen listrik yang dibicarakan disini adalah :

1. Elemen listrik dua terminal 

a. Sumber tegangan 

b. Sumber arus 

c. Resistor ( R ) 

d. Induktor ( L ) 

e. Kapasitor ( C )

2. Elemen listrik lebih dari dua terminal 

a. Transistor 

b. Op-amp

Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian dari 

rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen 

atau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana 

disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengan 

kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suatu 

rangkaian. 

Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari 

titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidak 

memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh. 

Rangkaian listrik merupakan dasar dari  teori rangkaian pada teknik elektro yang 

menjadi dasar atay fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, 

sistem computer, putaran mesin, dan teori control.

Arus Listrik

Pada pembahasan tentang rangkaian listrik, perlu kiranya kita mengetahui terlebih

dahulu beberapa hal megenai apa itu yang dimaksud dengan listrik. Untuk memahami

tentang listrik, perlu kita ketahui terlebih dahulu pengertian dari arus.

Arus merupakan perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang

mengalir dalam  satuan waktu dengan simbol i (dari kata Perancis : intensite), dengan

kata lain arus adalah muatan yang bergerak. Selama muatan tersebut bergerak maka

akan muncul arus tetapi ketika muatan tersebut diam maka arus pun akan hilang.

Muatan akan bergerak jika ada energi luar yang memepengaruhinya. Muatan adalah

satuan terkecil dari atom atau sub bagian dari atom. Dimana dalam teori atom modern

menyatakan atom terdiri dari partikel inti (proton bermuatan + dan neutron bersifat

netral) yang dikelilingi oleh muatan elektron (-), normalnya atom bermuatan netral. 

Muatan terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negatif

Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik) atau berlawanan dengan

arah aliran elektron. Suatu partikel dapat menjadi muatan positif apabila kehilangan

elektron dan menjadi muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain.

Coulomb adalah unit dasar dari  International System of Units (SI) yang digunakan

untuk mengukur muatan listrik.

Simbol  : Q = muatan konstan

                q = muatan tergantung satuan waktu

muatan 1 elektron  = -1,6021 x 10^-19  coulomb

              1 coulomb = -6,24 x 10¹⁸ elektron

Secara matematis arus didefinisikan :

i = dq/dt

Satuannya : Ampere (A)

Dalam teori rangkaian arus merupakan pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda

potensial disuatu elemen atau komponen maka akan muncul arus dimaan arah arus

positif mengalir sebaliknya.

Macam-macam arus : 

1. Arus searah (Direct Current/DC) 

Arus DC adalah arus yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan

waktu, artinya diaman pun kita meninjau arus tersebut pada wakttu berbeda akan

mendapatkan nilai yang sama.

2. Arus bolak-balik (Alternating Current/AC)

Arus AC adalah arus yang mempunyai nilai yang berubah terhadap satuan waktu dengan karakteristik akan selalu berulang untuk perioda waktu tertentu (mempunyai perida waktu :


Copyright by Ilmu listrik (Electrical Science) | by Rusman Nazari

Teori Dasar Listrik

Teori Dasar Listrik 

1. Arus listrik 

Adalah mengalirnya elektron secara terus menerus dan berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. satuan arus listrik adalah Ampere. 

Arus listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal negatif (-), sedangkan aliran listrik dalam kawat logam terdiri dari aliran elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke terminal positif(+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron

(Gb.1 Arah arus listrik dan gerak elektron)

Perlu diketahui “1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x10^16 (6,24151 × 10^18) atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor” 

Formula arus listrik adalah: 

I = Q/t (ampere)

Dimana:

I = besarnya arus listrik yang mengalir, ampere

Q = Besarnya muatan listrik, coulomb

t = waktu, detik

2. Kuat arus Listrik 

Adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu. 

Definisi : “Ampere adalah satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan 1,118 milligram perak dari nitrat perak murni dalam satu detik”. 

Rumus – rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus dan waktu:

Q = I x t

I = Q/t

t = Q/I

Dimana : 

Q = Banyaknya muatan listrik dalam satuan coulomb 

I = Kuat Arus dalam satuan Amper. 

t = waktu dalam satuan detik.

“Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik”

“muatan listrik memiliki muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh proton, dan muatan negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan ”coulomb (C)”, muatan proton +1,6 x 10^-19C, sedangkan muatan elektron -1,6x 10^-19C. Muatan yang bertanda sama saling tolak menolak, muatan bertanda berbeda saling tarik menarik”

3. Rapat Arus

Difinisi : 

“rapat arus ialah besarnya arus listrik tiap-tiap mm² luas penampang kawat”.

(Gb.2 Kerapatan arus listrik)

Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm²), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm² (12A/1,5 mm²).

Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur. Suhu penghantar dipertahankan sekitar 300°C, dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).

Rumus-rumus dibawah ini untuk menghitung besarnya rapat arus, kuat arus dan penampang kawat:

J = I/A

I = J x A

A = I/J

Dimana:

J = Rapat arus [ A/mm²] 

I = Kuat arus [ Amp] 

A = luas penampang kawat [ mm²]

4. Tahanan dan Daya Hantar Penghantar

Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom, setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron. Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas. Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan. 

Tahanan didefinisikan sebagai berikut : 

“1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0° C"

Daya hantar didefinisikan sebagai berikut:

“Kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”. 

Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus:

R = 1/G

G = 1/R

Dimana :

R = Tahanan/resistansi [ Ω/ohm] 

G = Daya hantar arus /konduktivitas [Y/mho] 

Tahanan penghantar besarnya berbanding terbalik terhadap luas penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuai hukum Ohm.

“Bila suatu penghantar dengan panjang l , dan diameter penampang q serta tahanan jenis ρ (rho), maka tahanan penghantar tersebut adalah” :

R = ρ x l/q

Dimana : 

R = tahanan kawat [ Ω/ohm] 

l = panjang kawat [meter/m] l

ρ = tahanan jenis kawat [Ωmm²/meter] 

q = penampang kawat [mm²] 

faktot-faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada : 

• panjang penghantar.

• luas penampang konduktor. 

• jenis konduktor .

• temperatur. 

"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur, ketika temperatur meningkat ikatan atom makin meningkat akibatnya aliran elektron terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar"

5. Potensial atau Tegangan

Potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya. dari hal tersebut, kita mengetahui adanya perbedaan potensial listrik yang sering disebut “potential difference atau perbedaan potensial”. satuan dari potential difference adalah Volt.

“Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb”

Formulasi beda potensial atau tegangan adalah:

V = W/Q [volt]

Dimana:

V = beda potensial atau tegangan, dalam volt

W = usaha, dalam newton-meter atau Nm atau joule

Q = muatan listrik, dalam coulomb

Copyright by Ilmu listrik (Electrical Science) | by Rusman Nazari

Macam-macam Sambungan Kabel

PERISTILAHAN / GLOSARIUM  

1. Pig Tail ialah cara menyambung kabel yang paling sederhana berbentuk  ekor babi.  Sambungan ini   digunakan untuk menyambung atau  mencabangkan satu atau beberapa kabel pada satu titik. 
2. Lasdop ialah penutup untuk melindungi sebuah sambungan kabel. 
3. Isolasi ialah pembungkus kabel agar kabel terhindar dari hubungan  dengan penghantar arus listrik yang lain. 
4. Sambungan Puntir adalah cara menyambung antara dua kabel yang  berbentuk satu garis lurus.  Ada dua macam cara sambungan  puntir yaitu; sambungaan puntir Bell hangers dan sambungan  puntir Western union. 
5. Turn Back ialah cara menyambung antara dua kabel yang berbentuk  satu garis lurus, dimana kabel ditekuk balik, dimaksudkan  untuk mendapatkan sambungan yang lebih kuat terhadap  rentangan maupun tarikan, sehingga sering disebut sebagai  sambungan bolak-balik. 
6. Single Wrapped Cable Spice ialah suatu cara menyambung kabel yang  bernadi banyak, yaitu dengan menganyam sesuai dengan arah  alurnya.  
7. Plain joint ialah cara-cara untuk mencabang kabel yang posisinya dalam  satu bidang datar. 
8. Knotted tap joint ialah cara-cara untuk mencabang kabel yang posisinya  dalam satu bidang datar dengan memberi suatu simpul agar  sambungan lebih kuat.  

Copyright by Ilmu listrik (Electrical Science) | by Rusman Nazari