3. 3
TEORI PITA
Teori pita (Band Theory) ; untuk
menjelaskan mengapa suatu zat dapat
bersifat konduktor, semikonduktor atau
insulator
Landasan teori pita ; teori orbital
molekul
4. 4
Teori pita dapat menjelaskan mengapa logam “kehilangan”
elektron valensinya ketika membentuk padatan
Pita orbital 1s, 2s, dan 2p tetap terlokalisasi di sekeliling
inti. Pita valensi 3s (berisi elektron valensi) terdelokalisasi
berbatasan dengan orbital 3p yang kosong
5. 5
Sejumlah orbital atom yang
berasal dari sub kulit yang
sama dan mempunyai
tingkat energi hampir sama
membentuk orbital molekul.
Orbital-orbital molekul
tersebut saling berdekatan
dan hampir kontinu.
Kelompok orbital molekul
yang kontinu disebut pita
(band).
Pita tersebut dipisahkan
oleh pita kesenjangan
(band gap), yaitu pada
tingkat energi di mana tak
ada orbital (non bonding)
6. 6
Teori Pita ; Penerapan untuk
Na
Orbital-orbital s dari
atom-atom Na
dapat berinteraksi
menghasilkan
sejumlah N orbital
molekul yang
saling bertumpang
tindih
(overlapping)
membentuk pita.
7. 7
Diagram orbital Na
Pita konduksi:
3s antibonding (kosong)
Pita valensi:
3s bonding (penuh)
Tak ada gap
8. 8
Diagram Orbital Mg berdasarkan
Teori Pita
Pita konduksi:
kosong
Pita valensi:
penuh
Tak ada gap: konduktor
Konduktor
Pita 3s saling bertumpangtindih
dengan pita 3p yang kosong
9. 9
Penjelasan
Magnesium mempunyai konfigurasi elektron 1s2
2s2
2p6
3s2
Orbital 1s, 2s, dan 2p tetap terlokalisasi di sekeliling inti.
Orbital atom 3s dari tiap atom Mg terisi 2 elektron,
sehingga seluruh pita orbital molekul yang berenergi lebih
rendah akan terisi penuh. Pita 3s yang berisi penuh
dengan 2 elektron disebut pita valensi
Tingkat energi tertinggi dari pita valensi disebut tingkat
fermi (energi fermi). Tingkat fermi juga merupakan
lapisan batas dimana tak ada satupun elektron yang dapat
melampaui lapisan, kecuali bila ada aliran energi yang
cukup hingga elektron dapat mencapai pita konduksi.
Pita valensi 3s (berisi elektron valensi) terdelokalisasi
berbatasan dengan orbital 3p yang kosong
Orbital 3p yang kosong disebut pita konduksi
11. 11
Bagaimana Mg dapat menjadi
konduktor yang baik ???
Pada magnesium : pita kosong 3p over lapping
dengan pita valensi 3s yang penuh. Elektron
dalam pita valensi bergerak ke segala arah
secara acak, karena tidak ada arus elektron
mengalir. Namun, jika dihubungkan dengan
sumber arus, elektron-elektron yang berada di
dekat tingkat Fermi mendapat gangguan medan
listrik, sehingga meningkat energi kinetiknya dan
dapat pindah ke pita konduksi. Terjadilah arus
elektron melalui pita konduksi
Hal yang sama terjadi pada Li dan Na, serta logam
lain yang bersifat konduktor
12. 12
Insulator
Tak dapat menghantarkan listrik
Kesenjangan (gap) energi yang besar
antara pita valensi (yang berisi elektron
valensi) dengan pita konduksi (kosong)
mencegah insulator menghantarkan
listrik.
Kesenjangan (gap) itu disebut juga
zona terlarang (forbidden zone)
15. 15
Contoh Non logam yang bersifat
konduktor dan Insulator
Konduktor Insulator
Pita gap = 5.5 eV
≈ 530 kJ/mol
Tak ada gap
Grafit
Intan
16. 16
Semikonduktor
Konduktivitas rendah pada suhu kamar. Hal ini karena
adanya gap energi yang kecil antara pita valensi dan pita
konduksi.
Konduktivitas listrik bertambah sesuai dengan kenaikan
suhu, karena eksitasi elektron dari pita valensi ke pita
konduksi dapat terjadi setelah diberi energi
konduktor
semikonduktor
Suhu
Konduktivitas
17. 17
Contoh Semikonduktor : Si
Pada semua suhu di atas titik nol mutlak , beberapa elektron valensi
kristal silikon memiliki probabilitas menyebrangi gap menuju pita
konduksi (300 K)
Pada suhu tinggi, semakin banyak elektron yang dapat tereksitasi ke
pita konduksi.
Kisi kristal akan mengalami perubahan karena ada perpindahan itu,
sehingga meninggalkan lubang yang kekurangan elektron
Pita energi Si
18. 18
Doping Semikonduktor
Sifat listrik semikonduktor dapat
diubah dengan menambahkan
sejumlah atom yang berukuran hampir
sama, namun dengan jumlah elektron
valensi yang berbeda. Pengubahan itu
disebut doping.
Ada dua jenis semikonduktor hasil
doping, yaitu semikonduktor tipe p dan
semikonduktor tipe n.
19. 19
Semikonduktor Tipe p
Semikonduktor tipe p diperoleh
dengan cara mendoping atom-
atom yang bervalensi lebih rendah
ke dalam semikonduktor
Penambahan pengotor bervalensi
tiga seperti B, Al atau Ga
(akseptor elektron) ke dalam
semikonduktor intrinsik (Si)
menghasilkan defesiensi elektron
valensi yang disebut ‘lubang’
(bermuatan positif)
Defesiensi elektron atau lubang
tersebut berada pada tingkat
fermi.. Elektron pada pita valensi
akan mengisi rongga tersebut,
sehingga aliran elektron dapat
mencapai pita konduksi
20. 20
Semikonduktor Tipe n
Semikonduktor tipe n diperoleh
dengan cara mendoping atom-
atom bervalensi lebih tinggi ke
dalam semikonduktor.
Penambahan pengotor
bervalensi lima seperti Sb, As
atau P menyumbangkan elektron
bebas (donor free elektron).
Elektron bebas itu berada pada
tingkat fermi dan dapat masuk ke
pita konduksi. Kekosongannya
digantikan oleh elektron dari pita
valensi, sehingga terjadi aliran
elektron. Akibatnya konduktifitas
semikonduktor instrinsik
bertambah.
22. 22
Efek Doping Silikon Oleh Posfor dan Boron
Jika silikon didoping oleh Fosfor, maka terjadi semiconductor
tipe-n, karena arus listrik dibawa oleh elektron
Jika silikon didoping oleh boron, maka terjadi semikonduktor
jenis p, karena arus listrik dibawa oleh rongga bermuatan
positif
23. 23
Penggunaan Semikonduktor
Transistor dibuat dari semikonduktor jenis n dan p.
Semikonduktor seperti itu dapat dibentuk langsung pada
chip silikon dan banyak digunakan pada peralatan
seperti komputer dan kalkulator
Penggabungan semikonduktor tipe p dengan tipe-n
menghasilkan gabungan p-n yang berfungsi
sebagai rectifier.
Rectifier adalah alat yang dapat mengalirkan arus listrik
ke satu arah, namun tidak ke arah sebaliknya
25. 25
Batere silikon bertenaga sel surya atau solar sel adalah
semikonduktor jenis p dan n yang ditumpuk bersama-sama.
Elektron-elektron yang mengabsorpsi energi surya dapat
bergerak melalui sambungan p-n sehingga menghasilkan
arus listrik yang melalui kawat penghantar ((label “+” dan
“-”).
27. 27
Kerusakan/Cacat Kisi (Lattice Defects)
Kerusakan/cacat kisi adalah penyimpangan kristal zat padat
dari kisi sempurna
Cacat kisi berpengaruh terhadap konduktivitas zat
Cacat kisi dapat terjadi akibat :
1. Schottky defects: Adanya bagian kisi yang tidak diisi atau
dihuni.
2. Frenkel defect: Adanya atom atau ion dalam ruang atau
celah di antara bagian-bagian kisi (intersisi) akibat
bermigrasi ke posisi tidak normal.
3. Pengotoran : Adanya ion atau atom asing di dalam bagian
kisi. Pengotoran dapat disengaja karena doping
29. 29
Pengaruh kerusakan kisi terhadap
konduktivitas zat padat
Elektrolit – suatu substansi yang menghantarkan
listrik melalui gerakan ion.
Hampir semua elektrolit adalah larutan atau lelehan garam,
tetapi beberapa elektrolit berupa zat padat dan zat padat
kristalin.
Nama yang diberikan untuk zat padat bersifat demikian
adalah :
- Elektrolit padat (solid elektrolytes)
- Fast Ion conductor
- Superionic conductor
30. 30
Cacat Kristal (Defects)
Konduktivitas ionik hanya dapat terjadi jika ada
cacat kristal. Dua jenis cacat (defect) adalah
Schottky defect dan Frenkel defect.
Kerusakan Schottky Kerusakan Frenkel
31. 31
Konduktivitas Ionik vs. Elektronik
Marilah kita bandingkan sifat-sifat konduktor ion
dengan konduktifitas elektronik pada logam
Logam
Rentang konduktivitas = 10 S/cm < σ < 105
S/cm
Electron-elektron yang membawa arus listrik
Solid Electrolytes
Rentang konduktivitas = 10-3
S/cm < σ < 10 S/cm
Ion-ion yang membawa arus listrik
34. 34
Penerapan Konduktor Ionik
Ada sejumlah aplikasi
praktis dari konduktor
ionik yang semuanya
berdasarkan sel
elektrokimia, antara lain :
Batere
Sel Bahan Bakar
Pada sel tersebut,
konduktor ionik
diperlukan untuk elektrolit
atau elektrode atau untuk
kedua-duanya,
ElectrolyteElectrolyte
AnodeAnode
CathodeCathode
Useful
Power
ee--
→→
