Konduktivitas (Apabila terdapat elektron yang kurang dari jumlah proton)

Konduktivitas

Hal ini juga diketahui kepada kita bahwa konduktivitas material tergantung pada konsentrasi elektron bebas di dalamnya. Konduktor yang baik terdiri konsentrasi besar elektron bebas sedangkan isolator terdiri konsentrasi yang sangat kecil dari elektron bebas. Konsentrasi elektron bebas dalam semikonduktor adalah di antara nilai konsentrasi elektron bebas di konduktor dan isolator. Itulah sebabnya konduktivitas semikonduktor moderat tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah. The typicality semikonduktor adalah bahwa elektron kelambu dalam semikonduktor tidak bebas seperti logam bukan mereka terjebak dalam ikatan antara dua ion yang berdekatan. Germanium dan Silicon adalah dua semikonduktor yang sangat populer digunakan. Struktur kristal dari kedua semikonduktor terdiri pengulangan rutin unit tiga dimensi. 

 

Jika sebuah benda memiliki elektron yang berlebih atau kurang dari yang diperlukan untuk menyeimbangkan muatan inti atom yang positif, benda tersebut akan memiliki muatan listrik. Ketika terdapat elektron berlebih, benda tersebut dikatakan bermuatan negatif. Apabila terdapat elektron yang kurang dari jumlah proton dalam inti atom, benda tersebut dikatakan bermuatan positif. Ketika jumlah elektron dan jumlah proton adalah sama, muatan keduanya meniadakan satu sama lainnya dan benda tersebut dikatakan bermuatan netral. Benda makro dapat menjadi bermuatan listrik melalui penggosokan dan menghasilkan efek tribolistrik.

Elektron tunggal yang bergerak dalam vakum diistilahkan sebagai elektron bebas. Elektron-elektron dalam logam juga berperilaku seolah-olah bebas. Dalam kenyataannya, partikel yang umumnya diistilahkan elektron dalam logam dan padatan lainnya merupakan kuasi-elektron-kuasi-partikel, yang memiliki muatan listrik, spin, dan momen magnetik yang sama dengan elektron asli, namun bermassa berbeda. Ketika elektron bebas bergerak dalam vakum ataupun dalam logam, ia akan menghasilkan aliran muatan yang disebut sebagai arus listrik. Arus listrik ini kemudian akan menghasilkan medan magnetik. Sebaliknya, arus dapat diciptakan pula dengan mengubah medan magnetik. Interaksi ini dinyatakan secara matematis menggunakan persamaan Maxwell.
 

Pada suhu tertentu, tiap-tiap material memiliki konduktivitas listrik yang menentukan nilai arus listriknya ketika potensial listrik dialirkan kepadanya. Contoh benda yang memiliki konduktivitas listrik yang baik (disebut konduktor) misalnya emas dan tembaga, sedangkan gelas dan teflon adalah konduktor yang buruk. Dalam material dielektrik, elektron tetap terikat pada atom penyusunnya dan material tersebut berperilaku seperti insulator. Sebaiknya logam memiliki struktur pita elektronik yang mengandung pita elektronik yang terisi sebagian. Keberadaan pita tersebut mengizinkan elektron dalam logam berperilaku seolah-olah bebas (elektron terdelokalisasi). Elektron yang terdelokalisasi ini tidak terikat pada atom apapun, sehingga ketika dialiri medan listrik, elektron tersebut akan bergerak bebas seperti gas (gas fermi) melalui material tersebut seperti elektron bebas.

Oleh karena tumbukan antara elektron dengan atom, kecepatan hanyutan elektron dalam konduktor memiliki kisaran milimeter per detik. Namun, kecepatan rambatan elektron biasanya adalah sekitar 75% kecepatan cahaya. Ini terjadi karena sinyal elektrik merambat sebagai gelombang, yang kecepatannya tergantung dari konstanta dielektrik material atau bahan.

Logam merupakan konduktor panas yang baik, utamanya disebabkan oleh elektron terdelokalisasi yang bebas untuk mentranspor energi termal antaratom. Namun, berbeda dengan konduktivitas listrik, konduktivitas termal logam hampir tidak tergantung pada suhu. Konduktivitas termal diekspresikan secara matematis menurut hukum Wiedemann-Franz, yang menyatakan bahwa rasio konduktivitas termal terhadap konduktivitas listrik berbanding lurus terhadap temperatur. Kebalauan termal dalam kisi logam meningkatkan resistivitas listrik material, sehingganya membuat arus listrik tergantung pada temperatur.

Ketika didinginkan di bawah temperatur kritis, material dapat mengalami transisi fase yang menyebabkannya kehilangan semua resistivitas arus listrik. Hal ini dinamakan superkonduktivitas. Dalam teori BCS, perilaku ini dimodelkan oleh pasangan elektron yang memasuki keadaan kuantum kondensat Bose-Einstein. Pasangan Cooper ini memiliki gerakan yang dikopling oleh materi sekitar via getaran kekisi yang disebut fonon, sehingga elektron dapat menghindari tumbukan dengan atom-atom material yang menciptakan hambatan listrik. (Pasangan Cooper memiliki jari-jari sekitar 100 nm, sehingga dapat bertumpang tindih satu sama lain.) Walaupun begitu, mekanisme mengenai bagaimana superkonduktor temperatur tinggi bekerja masih belumlah terpecahkan.

Elektron yang berada dalam padatan konduktor, yang sendirinya juga merupakan kuasipartikel, ketika dikungkung secara ketat pada temperatur yang mendekati nol absolut, akan berperilaku seolah-olah terbelah lebih jauh menjadi dua kuasipartikel: spinon dan holon. Spinon memiliki spin dan momen magnetik, sedangkan holon memiliki muatan listrik.

Contoh:

Setiap atom di germanium memberikan kontribusi empat elektron kelambu untuk membuat ikatan kovalen dengan empat atom germanium yang berdekatan dalam kristal. Jadi atom adalah tetravalen. Inti ion inert germanium yang bertindak sebagai muatan positif dari 4 biaya elektronik. Elektron kelambu di germanium kristal berfungsi untuk mengikat satu atom ke yang berikutnya maka dapat dikatakan bahwa elektron kelambu erat dibatasi dengan atom dalam kristal.

 Inilah sebabnya mengapa meskipun atom germanium memiliki empat elektron kelambu di dalamnya tapi germanium kristal secara keseluruhan bukanlah konduktor yang sangat baik listrik. Pada suhu nol mutlak kristal semikonduktor berperilaku seperti isolator karena tidak ada operator bebas dari listrik yang tersedia. Namun pada suhu kamar (300 ° K), beberapa ikatan kovalen dalam kristal yang rusak karena energi yang tersedia dan fenomena ini membuat ketersediaan elektron bebas dalam kristal dan karenanya konduksi semikonduktor mungkin beberapa memperpanjang mungkin pada suhu kamar. Energi yang dibutuhkan untuk memecah ikatan kovalen adalah tentang 0,72 eV di germanium dan yang 1,1 eV di silikon pada suhu kamar.
 

 

Jika salah satu ikatan kovalen rusak, baik dari elektron yang sebelumnya terlibat dalam pembentukan ikatan keluar dengan menjaga tempat kosong di belakang pada obligasi. Lowongan ini disebut sebagai lubang. Signifikansi lubang di semikonduktor adalah bahwa mereka juga dapat disebut sebagai pembawa listrik dibandingkan dengan elektron. Mekanisme yang lubang membawa listrik agak berbeda dari mekanisme yang elektron membawa listrik. Ketika ada ikatan lengkap dalam kristal semikonduktor, lubang ada di obligasi. Hal ini sedikit lebih mudah untuk elektron, membentuk ikatan atom di kawasan, maka ia meninggalkan posisi sebelumnya untuk menempati lubang yang baru dibuat di dekatnya. 

 

 Ketika sebuah elektron bergerak untuk mengisi lubang dari posisi sebelumnya di obligasi, ia meninggalkan lubang baru lain di balik itu. Ketika lubang kedua tercipta maka elektron dari setiap ikatan lingkungan lain mungkin keluar untuk mengisi lubang kedua dengan menciptakan lubang baru di balik itu. Oleh karena itu dapat divisualisasikan bahwa lubang tersebut bergerak ke arah yang berlawanan dengan gerakan elektron. Dengan cara ini semikonduktor melakukan listrik dengan bantuan kedua jenis listrik atau biaya operator (elektron dan lubang).  

 

Dari penjelasan di atas jika kita sangat pikir ini dapat divisualisasikan bahwa sementara lubang bergerak dari satu arah ke arah lain pada saat yang sama bergerak saat elektron dalam arah berlawanan itu. Ini berarti setiap kali lubang bergerak maju ke arah masing-masing, muatan negatif bergerak berlawanan arah atau ke belakang. Muatan negatif bergerak ke arah belakang dapat dianggap sebagai muatan positif bergerak maju ke arah. 

 

Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa gerakan lubang yang terlibat untuk membawa muatan positif dalam kristal semikonduktor. Dalam jumlah kristal semikonduktor ideal lubang dibuat per satuan waktu adalah persis sama dengan jumlah elektron menjadi bebas selama ini. Jika suhu meningkatkan laju penciptaan pasangan lubang elektron meningkat dan ketika suhu menurun, jumlah elektron - lubang pasangan menurun karena rekombinasi elektron dan lubang dalam kristal.

 

 

Ketika salah satu pasangan elektron-lubang dibuat, ada dua pembawa muatan yang dihasilkan. Salah satunya adalah pembawa muatan negatif yang terkait dengan elektron dan lainnya adalah pembawa muatan positif terkait dengan lubang. Katakanlah mobilitas lubang dalam kristal adalah _h μ dan mobilitas elektron dalam kristal yang sama adalah μ _e. Ini lubang dan elektron bergerak dalam arah berlawanan.  

 

Elektron selalu cenderung bergerak di berlawanan dengan medan listrik diterapkan, kepadatan arus karena melayang dari lubang diberikan oleh, Kerapatan arus karena hanyut elektron diberikan oleh, Sebagai drift lubang berkontribusi saat dalam arah yang sama dan hanyut elektron berkontribusi saat ini di arah yang berlawanan, dalam kedua kasus arus berada dalam arah yang sama yang ada di arah hanyut lubang.  

 

Oleh karena itu resultan saat karena ini baik biaya operator akan aritmatika jumlah dua arus dan karenanya kepadatan arus yang dihasilkan akan,  

Di mana 'n' adalah besarnya konsentrasi elektron bebas, 'p' adalah besarnya konsentrasi lubang dan 'σ' adalah:

 

Konduktivitas Semiconductor

Jika semikonduktor idealnya murni maka akan ada jumlah yang sama elektron bebas dan lubang. Itu berarti n = p = n _i (katakanlah). Jika suhu meningkat semikonduktor, konsentrasi pembawa muatan (elektron dan lubang) juga meningkat. Maka konduktivitas semikonduktor meningkat sesuai. Hubungan antara suhu dan konsentrasi muatan karir dalam semikonduktor murni atau intrinsik diberikan sebagai Dimana, T adalah suhu dalam Kelvin Skala. Dari persamaan di atas ditemukan bahwa konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor secara eksponensial meningkatkan sangat cepat dengan kenaikan suhu. Hal ini ditemukan bahwa konsentrasi lubang dan elektron di germanium meningkatkan 6% untuk peningkatan setiap derajat Celcius suhu. Dan itu adalah dari 8% untuk silikon. 

 

Fenomena ini membuat perangkat semikonduktor banyak sensitif terhadap suhu. Perubahan konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor karena suhu mempengaruhi karakteristik dan kinerja perangkat semikonduktor. Oleh karena itu perawatan khusus harus diambil untuk menjaga suhu dalam batas yang ditentukan selama operasi dari jenis perangkat semikonduktor. Meskipun, sensitivitas yang cepat ini untuk variasi suhu membuat semikonduktor berguna untuk banyak aplikasi. Banyak semikonduktor khusus dibuat digunakan sebagai transduser untuk mengukur suhu dan alat yang disebut termistor.

Jika anda ingin tauh lebih mendalam tentang Elektron, silahkan anda buka LINK di bawah ini.

Penjelasan Lengkap Energi Terbarukan Penjelasan Lengkap Elektron (Penemuan elektron,Teori atom,Mekanika kuantum, dll) Cepat dan Tepat Mendaftar Google Adsense Full

erima kasih telah membaca artikel mengenai Konduktivitas, semoga apa yang saya bagikan ini bermanfaat buat anda, jika ingin melihat artikel lainnya silahkan masukkan kata kunci LingkaranDunia Akostader/http://amirakostader.blogspot.co.id/