SEMI KONDUKTOR DAN SUPER KONDUKTOR
8.1.2 Semi konduktor Ekstrinsik
Gambar 8-2 Tingkat ferni pada semi konduktor intrinsic pada pertengahan celah energi
Suatu semi konduktor instrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita konduksi.
Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh.
8.1.2 Semi konduktor Ekstrinsik
Pada semikonduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adalah penyuntikan bahan penambah atau pengotoran dari luar (extrancous impurities). Proses penyuntikan bahan tambahan terhadap semi konduktor murni disebut doping. Penambahan bahan tersebut kepada semikonduktor murni akan meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Suatu kristal silikon yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P,As atau Sb.
Pada gambar 8-3 ditunjukan Kristal Si yang dodoping dengan P.
Elektron dari atom pospor adalah bergerak pada medan listrik dari kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini embawa akibat
Gambar 8-3 Silikon yang didoping dengan pospor
Ilmu Bahan Page 81 konstanta dielektrik dari Kristal pada perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar yaitu kira-kira 80 A0 dibandingkan 0,5 A0dari orbit hidrogen.Semikonduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semikonduktor tipr-n.
Dibandingkan dengan celah energi, besarnya energi ionisasi dari atom pengotor adalah sangat kecil. Pada suhu kamar, elektron-elektron tingkat donor sudah dikeluarkan dari pita valensi masuk kedalam pita konduksi.
Tabel 8-1, Energi ionisasi
Bahan Pengotoran Si (ev) Ge (ev)
Tipe-n Pospor 0,044 0,012
Arsen 0,049 0,013
antimon 0,039 0,010
Tipe-p boron 0,045 0,010
Alumunium 0,057 0,010
Gallium 0,065 0,011
Indium 0,16 0,011
Sedangkan proses doping kristal Si dengan elemen kolom 3 antara lain : Ga, Al, In.
Pada suhu 00, lubang tetap terikat pada atom pengantar. Kalau suhu dinaikan, lubang-lubang akan terlepas dari atom atom pengotor dan menjado konduksi.
Kumpulan lubang-lubang diusahakan dengan esitasi termal pada Si yang didoping
Ilmu Bahan Page 82 adalah jauh lebih besar daripada yang diusahakan dengan eksitasi dari elektron pada pita konduksi.
Menurut hokum gerakan massa, disini lubang-lubang positif sebgai pembawa mayoritas muatan. Dengan demikian semikonduktor ekstrinsik disebut semikonduktor tipe- p.
Tabel 8-2
Macam-macam Semikonduktor dan penggunaanya
Nama Semikonduktor Pengunaannya
Barium Titinate (Ba ti) Termistor (PTC)
Bismuth telurida (bi2 Te) Konversi termoelektrik Cadmium sulfide (Cd S) Sel foto konduktif
Gallium arsenide Ga As) Dioda,transistor,laser,led,generator,gelombang mikro Germanium (Ge) Diode, transistor
Indium antimonida (In Sb) Magnetoresistor,piezoresistordetectorradiasi infra merah Indium arsenide (In As) Piezo resistor
Silicon (Si) Diode, transistor, IC Silicon carbide(SiCb) Varistor
Seng sulfide(Zn S) Perangkat penerangan elektro Germanium silicon (Ge Si) Pembangkit termoelektrik
Selenium (Se) Rectifier
Aluminium stibium(Al Sb) Diode penerangan Gallium pospor(Ga P) Diode penerangan Indium pospor(In P) Filter infra merah Tembaga oksida Rectifier
Plumbun sulfur (Pb S) Foto sel Plumbun selenium(Pb Se) Foto sel
Indium stibium (In Sb) Detector infra merah,filter infra merah generator hall
8.2 Superkonduktor
Bahan-bahan konduktor yang di jumpai sehari-hari, selalu mempunyai resistansi,bahwa resistansi akan mencapai harga nol pada suhu krisis (Tc).Di samping itu,medan magnet pada bahahan superkonduktor adlah lebih kecil daripada medan kritis (Hc).
Dengan demikian suatu superkonduktor akan hilang super konduktivitasnya jika suhunya di atas kritis dan medanya di atas kuat medan kritisnya. Terdapat 30 unsur dan hampir 100 senyawa yang dapat digunakan sebagai bahan 0
Ilmu Bahan Page 83 superkonduktor. Suhu kritis tertinggi superkonduktor adalah 18,1oK untuk senyawa Nb3 Sn yang ditemukan oleh mathias seorang ahli dari USA.
Tabel 8-3.
Suhu Kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktor
Unsur Tc (oK) Senyawa Tc (oK)
Ti 0,49 NaBi 2,22
Zn 0,82 BaBa3 6,0
AI 1,20 Nb2Zn 10,8
TI 2,38 Mo N 12,0
In 3,40 Mo Re 12,6
Sn 3,73 V2,95 Ga 14,4
Hg 4,16 Nb N 15,2
Ta 4,39 V3 Si 17,1
V 5,1 Nb3AI 18,0
Pb 7,22 Nb3 Sn 18,1
Nb 8,00
Tc 11,2
Th 1,37 Cu S 1,6
U 0,68 Pb Sb 1,5
Tetapi perlu diingat bahwa tidak selalu terjadi pada bahan yang pada suhu kamar misalnya : Cu, Ag dan Au merupakan konduktor yang baik akan menjadi superkonduktor pada kondisi yang lebih mudah dibandngkan bahan lan yang pada suhu kamar konduktivitasnya lebih jelek.
Terdapat dua jenid=s superkonduktor yaitu jenis I termasuk Pb,Ag dan Sn, menyalurkan arus pada permukaanya sampai ke dalam 10-4 mm pada medan mahnet hingga setinggi tingginya adalah kuat medan magnet Nb dan paduan Pb. Pada superkonduktor jenis II, jika medan magnetnya mencapai medan kritis dan suhu kritisnya relatif (kondisi tersebut lebih tinggi dari jenis I), keadaaan superkonduktor tidak langsung berubah menjadi konduktor normal, tetapi menjadi bahan yang merupkan peralihan atau dari kondisi superkonduktor menjadi konduktor normal.
Ilmu Bahan Page 84 Pada jenis I yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet tanpa kerugian karena medan listriknya di semua tempat adalah nol sedangkan pada jenis II dalam keadaan yang sama akan menimbulkan kerugian yang sangat kecil dan dapat diabaikan.
Jika di teliti dari tabel 8-3 dapat dicatat bahwa : Logam-logam monovalent adalah buikan superkonduktor
Logam-logam ferromagnetic dan antiferromagnetic adalah bukan superkonduktor.
Konduktor yang baik pada suhu kamar adalah bukan superkonduktor dan logam superkonduktor sebagai logam normal adalah buakan konduktor yang baik pada suhu kamar.
Film tipis dari Be,Bi, dan fe adalah supoerkonduktor
Bismut,Pb dan Te menjadi superkonduktor jika mendapat tekanan yang tinggi
8.2.1. Penggunaan
Superkonduktor belum dipabrikasi dalamn skala besar.Mesin-mesin listrik,transformator dan kabel sedang dikembangkan menggunakan superkonduktor .Dengan menggunakan superkonduktor efisiensi dapat dicapai 99,99 %. Dengan kabel superkonduktor berdiameter beberapa centimeter dapat digunakan menyalurkan semua daya yang dihasilkan semua pembangkit listrik di Indonesia.
Terdapat dua perangkat yang sudah umum menggunakan superkonduktor yaitu :
- Elektromagnetik
Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resis,tansi, maka dimungkinkan membuat solenoid dengan superkonduktor tanpa kerugian yang menoimmbulkan panas.
Selenoid dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet untuk kawat yang digunakan adalah memm=ungkinkan membangkitkan sebuah medan magnet kritis dan lilitan. Karena dengan bahan superkonduktor memungkinkan membuat electromagnet yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari electromagnet dengan superkonduktor antara lain komponenn Magneto Hidro Dinamik.
Ilmu Bahan Page 85 - Elemen Penghubung
Karena superkonduktor mempunyai Hc dan Tc, maka dalam pemakaian superkonduktor sebagai elemen penghubung dapt menggunakan pengaruh salah satu besaran di atass. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan superkonduktor akan dapat berubah sifatnya dari superkonduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan suhu atau medan magnet diatas nilai kritisnya.
Pemutus arus yang bekerjanya dipengaruhi oleh magnetic dielktrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus komputer
Soal-soal ilmu bahan