TUGAS MAKALAH MATERIAL KERAMIK Keramik Semikonduktor
Disusun Oleh : KELOMPOK 2
1. Dwi Ratna Mustafida ( 114.12.0003 ) 2. Nuryana Amalia ( 114.12.0031) 3. Syaniz Ariana Putri ( 114.12.0033) 4. Febriyan Ramadhan ( 114.12.0028)
5. Damiri Anwar ( 114.12.0034)
6. Teguh Alvianto ( 114.11.0041)
Program Studi:
Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI INDONESIA Jl. Raya Puspitek Serpong – Tangerang Selatan
2014
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi material keramik semikonduktor pada saat ini telah berkembang dengan pesat. Hal ini ditandai dengan adanya penemuan-penemuan divais yang menggunakan material keramik semikonduktor. Disamping proses pembuatan yang relatif mudah, keramik semikonduktor ini memiliki sifat-sifat yang memungkinkan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi diantaranya tahan korosi, kapasitas panas yang baik, konduktivitas panas yang rendah, sifat listriknya dapat berupa isolator, semikonduktor, konduktor bahkan super konduktor, kerapatan yang rendah, titik leleh tinggi, dan lain-lain. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan sifat-sifat tersebut contohnya seperti pada transparent conducting oxide (TCO) pada layar Light Conducting Dioda (LCD),Light Emition Dioda (LED), electrochromic windows, sensor gas, dan lain-lain (Van Vlack, 1991).
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan keramik semikonduktor ?
2. Bahan apa saja yang dapat digunakan sebagai keramik semikonduktor ? 3. Bagaimana sifat fisik dan kimia keramik semikonduktor ?
4. Bagaimana mekanisme terjadi hantaran listrik pada keramik semikonduktor?
5. Apa saja aplikasi Keramik Semikonduktor ? 1.3 Tujuan dan Manfaat
1.3.1 Tujuan Penulisan
Karya tulis ilmiah ini bertujuan untuk meneliti lebih lanjut tentang Keramik semikonduktor dan bagaimana pengembangan keramik semikonduktor tersebut di Indonesia . Selain itu makalah ini ditulis dalam rangka memenuhi tugas matakuliah peminatan material logam dan keramik.
1.3.2 Manfaat Penulisan
a. Penulisan karya tulis ini diharapkan dapat bermanfaat bagi para mahasiswa Institut Teknologi Indonesia serta referensi untuk penelitian selanjutnya.
b. Penulisan karya tulis ini diharapkan dapat memperluas pengetahuan dan cakrawala pemikiran pembaca pada umumnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Keramik Semikonduktor
Keramik berasal dari kata Yunani yaitu “keramos” yang berarti tembikar (pottery) atau peralatan terbuat dari tanah (earthenware). Keramik adalah bahanpadat anorganik yang merupakan paduan dari unsur logam dan non logam. Pada umumnya ikatan atom pada material keramik didominasi oleh ikatan ionik. Atom logam dalam keramik akan menjadi kation (bermuatan positif) dan atom non-logam menjadi anion (bermuatan negatif). Material keramik memiliki karakteristik yang memungkinkan digunakan untuk berbagai divais, karena sifat- sifatnya (Anonim,2009) seperti:
Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah;
Tahan korosi;
Sifat listriknya dapat berupa isolator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor;
Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik;
Keras dan kuat, namun rapuh; dan
Kerapatan yang rendah dan juga titik leleh yang tinggi.
Keramik dapat dibagi menjadi beberapa golongan yaitu isolator,semikonduktor, dan konduktor. Salah satu cara untuk menunjukkan perbedaanantara konduktor, semikonduktor, dan isolator yaitu dengan penggambarantingkat-tingkat energi dalam bentuk pita energi untuk elektron-elektron dalam bahan. Penggambaran pita energi untuk masing-masing material tersebutditunjukkan pada gambar 2.1 berikut.
.
(a) Isolator (b) Semikonduktor (c) Konduktor Gambar 2.1 Pita Energi dari (a) Isolator, (b) Semikonduktor, (c) Konduktor
Pada isolator, ujung atas pita valensi dengan ujung bawah pita konduksi dipisahkan oleh celah pita energi (band gap) yang lebar. Pada konduktor, ujung atas pita valensi dan ujung bawah pita konduksi saling tumpang-tindih (overlap).Sedangkan pada semikonduktor, celah pita energi antara pita valensi dan pita konduksi cukup kecil sehingga dengan pemberian sedikit energi termal saja sudah cukup untuk dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi,dengan demikian sifat listriknya akan berubah.Bahan keramik semikonduktor memiliki nilai konduktivitas listrik berada diantara isolator dan konduktor. Oleh karena itu, keramik semikonduktor dapat bersifat sebagai isolator ataupun konduktor. Sifat inilah yang memungkinkan keramik semikonduktor banyak dipakai sebagai divais dalam bidang elektronika.
2.2 Bahan Baku Pembuatan Keramik 2.2.1 Kaolin
Kaolin berasal dari bahasa cina yaitu Kaoling dan disebut juga China Clay. Kaolin merupakan massa batuan yang tersusun dari material lempung dengan kandungan besi yang rendah dan umumnya berwarna putih atau agak keputihan. Kaolin merupakan jenis tanah liat primer yang digunakan sebagai bahan utama dalam pembuatan keramik putih, dan menggandung mineral kaolinit Al
2254 SiO(OH)sebagai bagian yang terbesar. Proses pembentukan (kaolinisasi) dapat terjadi melalui proses pelapukan dan proses hidrotermal alterasi pada batuan beku felsfatik.
Dilihat dari sifat dan keadaan bahan, kaolin berwarna putih karena kandungan besinya yang sangat rendah, tidak plastis, berbutir kasar, berat jenis 2,60-2,63 g/cm3, titik lebur 1850 0C, daya hantar panas dan listrik yang rendah. Kaolin juga mempunyai tingkat keplastisan yang rendah sehingga taraf penyusutan dan kekuatan keringnya pun lebih rendah dan sangat tahan api. Oleh karena itu kaolin tidak dapat dipakai begitu saja untuk membuat barang-barang keramik, melainkan harus dicampur dahulu dengan bahan lain.
Cadangan kaolin di Indonesia diperkirakan sebesar 57.510.000 ton. Cadangan tersebut mempunyai mutu yang cukup baik sebagai bahan keramik dan untuk pengisi (misalnya untuk industri kertas), sedang untuk keperluan industri yang lain perlu adanya penelitian lebih lanjut.
Hasil Analisa Komposisi Kimia Basa Kaolin Surabaya dengan menggunakan AAS(Atomic Absorption Spectrometer) dapat dilihat pada tabel 2.2 dibawah ini :
Tabel 2.2.1 Komposisi kimia basa kaolin
2.2.2 Felspar
Keberadaan feldspar dalam kerak bumi cukup melimpah. Walaupun demikian untuk keperluan komersial dibutuhkan feldspar yang memiliki kandungan (K
2O + Na
2O) > 10%. Selain itu material penggotor oksida besi, kuarsa, oksida titanium dan penggotor lain yang berasosiasi dengan feldspar diusahakan sesedikit mungkin. Felspar dari alam setelah diolah dapat dimanfaatkan untuk batu gurinda dan feldspar olahan untuk keperluan industri tertentu. Mineral ikutannya dapat dimanfaatkan untuk keperluan industri lain sesuai spesifikasi yang ditentukan.
Industri keramik halus dan kaca/gelas merupakan dua industri yang paling banyak mengkomsumsi feldspar olahan, terutama yang memiliki kandungan K
2O tinggi dan CaO rendah. Sebagai mineral silikat pembentuk batuan, feldspar mempunyai kerangka struktur tektosilikat yang menunjukkan 4 (empat) atom oksigen dalam struktur tetrahedral SiO
2 yang dipakai juga oleh struktur tetrahedral lainnya. Kondisi ini menghasilkan kisi-kisi kristal seimbang terutama bila ada kation lain yang masuk kedalam struktur tersebut seperti pengganti silicon oleh aluminium. Terlepas dari bentuk strukturnya, apakah triklin atau monoklin. Feldspar secara kimiawi dibagi menjadi empat kelompok mineral yaitu kalium feldspar (KAlSi
3O
8),
natrium feldspar (NaAlSi
3O
8), kalium feldspar (CaAl
2Si
2O
8) dan barium feldspar (Ba Al
2Si
2O
8) sedangkan secara mineralogi feldspar dikelompokkan menjadi plagioklas dan K-felspar.
2.2.3 Pasir kuarsa
Pasir kuarsa adalah bahan galian yang terdiri atas kristal-kristal silica (SiO
2) dan menggandung senyawa pengotor yang terbawa selama proses pengendapan. Pasir kuarsa juga dikenal dengan nama pasir putih, merupakan hasil pelapukan batuan yang menggandung mineral utama seperti kuarsa dan feldspar. Pasir kuarsa mempunyai komposisi gabungan dari SiO
2, Fe2O
3, Al
2O
3, TiO
2, CaO, MgO, dan K
2O, berwarna putih bening atau warna lain bergantung pada senyawa penggotornya, kekerasan 7 (skala Mohs), berat jenis 2,65 , titik lebur 1715 0C , bentuk kristal hexagonal.
Tabel 2.2.2 Sifat fisis bahan baku pembuatan keramik
2.3 Sifat – Sifat Keramik
Keramik memiliki sifat kimia, mekanik, fisika, panas, elektrik, dan magnetik yang membedakan mereka dari material lain seperti logam dan plastik. Industri keramik merubah sifat keramik dengan cara mengontrol jenis dan jumlah material yang digunakan untuk pembuatan.
a. Sifat Kimia
Keramik industri sebagian besar adalah oksida (senyawa ikatan oksigen), akan tetapi ada juga senyawa carbida (senyawa ikatan karbon dan logam berat), nitrida (senyawa ikatan nitrogen), borida (senyawa ikatan boron) dan silida (senyawa ikatan silikon). Sebagai contoh, pembuatan keramik alumina menggunakan 85 sampai 99 persen aluminum oksida sebagai bahan utama dan dikombinasikan dengan berbagai senyawa kompleks secara kimia. Beberapa contoh senyawa kompleks adalah barium titanate (BaTiO3) dan zinc ferrite (ZnFe2O4).
Material lain yang dapat disebut juga sebagai jenis keramik adalah berlian dan graphite dari karbon.
Keramik lebih resisten terhadap korosi dibanding plastik dan logam. Keramik biasanya tidak bereaksi dengan sebagian besar cairan, gas, aklali dan asam. Jenis-jenis keramik memiliki titik leleh yang tinggi dan beberapa diantaranya masih dapat digunakan pada temperatur mendekati titik lelehnya. Keramik juga stabil dalam waktu yang lama.
b. Sifat Mekanik
Ikatan keramik dapat dibilang sangat kuat, dapat kita lihat dari kekakuan ikatan dengan mengukur kemampuan keramik menahan tekanan dan kelengkungan. Bend Strength atau jumlah tekanan yang diperlukan untuk melengkungkan benda biasanya digunakan untuk menentukan kekuatan keramik. Salah satu keramik yang keras adalah Zirconium dioxide yang memiliki bend strength mendekati senyawa besi. Zirconias (ZrO2) mampu mempertahankan kekuatannya hingga temperatur 900oC (1652oF), dan bahkan silikon carbida dan silikon nitrida dapat mempertahankan kekuatannya pada temperatur diatas 1400oC (2552oF).
Material-material silikon ini biasanya digunakan pada peralatan yang memerlukan panas tinggi seperti bagian dari Gas-Turbine Engine. Walaupun keramik memiliki ikatan yang kuat dan tahan pada temperatur tinggi, material ini sangat rapuh dan mudah pecah bila dijatuhkan atau ketika dipanaskan dan didinginkan seketika.
c. Sifat Fisik
Sebagian besar keramik adalah ikatan dari karbon, oksigen atau nitrogen dengan material lain seperti logam ringan dan semilogam. Hal ini menyebabkan keramik biasanya memiliki densitas yang kecil. Sebagian keramik yang ringan mungkin dapat sekeras logam yang berat.
Keramik yang keras juga tahan terhadap gesekan. Senyawa keramik yang paling keras adalah berlian, diikuti boron nitrida pada urutan kedua dalam bentuk kristal kubusnya. Aluminum oksida dan silikon karbida biasa digunakan untuk memotong, menggiling, menghaluskan dan menghaluskan material-material keras lain.
d. Sifat Panas
Sebagian besar keramik memiliki titik leleh yang tinggi, artinya walaupun pada temperatur yang tinggi material ini dapat bertahan dari deformasi dan dapat bertahan dibawah tekanan tinggi. Akan tetapi perubahan temperatur yang besar dan tiba-tiba dapat melemahkan keramik. Kontraksi dan ekspansi pada perubahan temperatur tersebutlah yang dapat membuat keramik pecah. Silikon karbida dan silikon nitrida lebih dapat bertahan dari kontraksi dan ekspansi pada perubahan temperatur tinggi daripada keramik-keramik lain. Oleh karena itu material ini digunakan pada bagian-bagian mesin seperti rotor pada turbin dalam mesin jet yang memiliki variasi perubahan temperatur yang ekstrim.
e. Sifat Elektrik
Beberapa jenis keramik dapat menghantarkan listrik. Contohnya Chromium dioksida yang mampu menghantarkan listrik sama baiknya dengan sebagian besar logam. Jenis keramik lain seperti silikon karbida, kurang dapat menghantarkan listrik tapi masih dapat dikatakan sebagai semikonduktor. Keramik seperti aluminum oksida bahkan tidak menghantarkan listrik sama sekali. Beberapa keramik seperti porcelain dapat bertindak sebagai insulator (alat untuk memisahkan elemen-elemen pada sirkuit listrik agar tetap pada jalurnya masing-masing) pada temperatur rendah tapi dapat menghantarkan listrik pada temperatur tinggi.
f. Sifat Magnetik
Keramik yang mengandung besi oksida (Fe2O3) dapat memiliki gaya magnetik mirip dengan magnet besi, nikel dan cobalt. Keramik berbasis besi oksida ini biasa disebut ferrite.
Keramik magnetis lainnya adalah oksida-oksida nikel, senyawa mangan dan barium. Keramik ber-magnet biasanya digunakan pada motor elektrik dan sirkuit listrik dan dapat dibuat dengan resistensi tinggi terhadap demagnetisasi. Ketika elektron-elektron disejajarkan
sedemikian rupa, keramik dapat menghasilkan medan magnet yang sangat kuat dan sukar demagnetisasi (menghilangkan medan magnet) dengan memecah barisan elektron tersebut.
Keramik industri dibuat dari bubuk yang telah diberi tekanan sedemikian rupa kemudian dipanaskan pada temperatur tinggi. Keramik tradisional seperti porcelain, ubin (keramik lantai) dan tembikar dibuat dari bubuk yang terdiri dari berbagai material seperti tanah liat (lempung), talc, silika dan faldspar. Akan tetapi, sebagian besar keramik industri dibentuk dari bubuk kimia khusus seperti silikon karbida, alumina dan barium titanate.
2.4 Mekanisme Hantaran Listrik Semikonduktor
Suatu hal yang penting untuk memahami semikonduktor adalah proses konduksi elektronik. Konduksi elektronik bahan dipengaruhi oleh jarak pita konduksi dan pita valensi bahan. Pada konduktor, kedua pita tersebut saling menumpuk. Pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan tidak terlalu dekat dan ini memungkinkan tumpang tindih jika dipengaruhi, misalnya panas, medan magnet dan tegangan yang cukup tinggi. Jarak kedua pita tersebut adalah celah energi, seperti gambar dibawah ini:
Terlihat bahwa celah energi pada isolator intan adalah 6 eV dan intan merupakan bahan isolator dengan resistivitas yang tinggi. Jarak antara pita valensi dan pita konduksi juah sehingga walaupun elektron-elektron bebas pada pita konduksi sudah tereksistansi(terlepas dari orbitnya), elektron-elektron valensi tidak akan meloncat ke pita konduksi. Bahan konduktor celah energinya sempit sehingga jika ada elektron lepas dari orbitnya maka pada pita valensi akan
segera mengisinya. Sedangkan bahan semi konduktor mempunyai celah energi yang lebih sempit dari pada isolator yaitu 0, 12 hingga 5, 3 eV. Misalnya, Si sebagai salah satu bahan semi konduktor mempunyai celah energy 1,1 eV. Oleh karena itu untuk menjadikan bahan semikonduktor agar dapat menghantarkan listrik dipelukan energi yang tidak terlalu besar.
Prinsip Dasar
Semi konduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (Integrated Circuit). Disebut semi atau setengah konduktor karena bahan ini memeng bukan konduktor murni. Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik karena logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa sehingga elektronnya dapat bebas bergerak bebas.
Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron(-). Sebanyak 28 elektron menempati orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nucleus. Dibutuhkan energi yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan electron-elektron ini. Satu buah elektron lagi yaitu elektron ke-29 berada pada orbit paling luar.Orbit teluar ini disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron valensi. Karena hanya ada satu electron dan jaraknya jauh dari nucleus ikatannya tidaklah terlalu kuat. Hanya dengan sedikit saja elektron terluar ini mudah lepas dari ikatannya.Ikatan atom tembaga pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu ke nucleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron- elektron tersebut dengan mudah berpindah kearah potensial yang sama. Phenomena ini dinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang bersar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki electron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. tentu saja yang paling “semikonduktor” adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.
2.5 Aplikasi Keramik Semikonduktor
