Isolator, Konduktor dan Semikonduktor

by

Pengertian Isolator

Isolator adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik, mempunyai sifat dapat mengisolir arus listrik. Memiliki tahanan listrik (resistansi) yang besar sekali.

Isolator, Konduktor dan Semikonduktor

Susunan atomnya sedemikian rupa sehingga elektron valensinya sulit berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, karena celah energinya (energy gap) besar sekali. Jika terjadi perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi, dengan perkataan lain terjadi tegangan tembus (breakdown voltage).

BENTUK-BENTUK ISOLATOR

Seperti keadaan umum benda, maka penyekat penyekat memiliki bentuk-bentuk yang serupa yaitu:

1. PADAT

Berbentuk padat dibedakan menurut kelompok-kelompoknya yaitu :

a) BAHAN TAMBANG

  • Batu Pualam

Kwalitas ditentukan oleh kepadatan dan penggosokannya. Semakin padat dan semakin licin semakin kurang daya penyerapan airnya. Karenasifatnya mudah pecah dan berat, maka sekarang kurang banyak dipakai.

  • Asbes

Asbes merupakan bahan berserat, tidak kuat, dan mudah putus. Bukan penyekat yang baik. Keistimewaannya adalah tidak dapat dibakar, jadi tahan panas tinggi. Banyak digunakan pada peralatan listrik rumah tangga seperti setrika listrik, kompor listrik, dan alat-alat pemanas lainnya.

  • Mika

Data teknisnya : Daya sekat listrik dan kekuatan mekanis sangat tinggi dan elastis pula. Daya tahan panas tinggi (tidak sampai ratusan derajat) dan penahan air yang baik. Sangat ringan, dan bening (transparan). Banyak digunakan pada peralatan listrik rumah tangga seperti setrika listrik, kompor listrik, dan alat-alat pemanas lainnya.

  • Mikanit

Mikanit adalah mika yang telah mendapat perubahan bentuk maupun susunan bahannya. Berbentuk agak padat. Biasa dipakai pada Komutator.

  • Mikafolium

Semacam mikanit dan sebagai bahan digunakan di atas lapisan kertas tipis. Mudah dibengkokkan dengan pemanas. Biasanya dipakai untuk membungkus kawat atau batang lilitan sebagai penyekat pada mesin listrik tegangan tinggi.

  • Mikalek

Digunakan gelas dan plastic sebagai bahan dasar. Bubuk mika merupakan bahan pengisi. Kekuatan mekanis tinggi dan sering dipakai pada penyearah arus logam (air raksa), peralatan radio dan tenaga listrik. Mikalek merupakan mika terbaik, sehingga dapat memenuhi persyaratan yang diperlukan sebagai penyekat.

b) BAHAN BERSERAT

Sebenarnya bahan ini kurang baik karena sifat yang sangat menyerap air. Beberapa contohnya:

  • Benang

Sebenarnya tidak semata-mata digunakan sebagai penyekat, tetapi lebih condong digunakan sebagai pengisi kabel, terutama kabel tanah.

  • Tekstil

Dari benang ditenun menjadi pita dan kain dengan berbagai corak, ukuran, dan kwalitasnya. Bahan tekstil digunakan dalam bidang kelistrikan sebagai penyekat kawat lilitan mesin listrik, pengikat, dsb. Karena bersifat menyerap cairan, untuk perbaikan daya sekat dilapis atau dicelup ke dalam cairan lak penyekat.

  • Ketas

Ketas adalah bahan penyekat dengan alkali memiliki harga yang mahal. Berwarna kuning atau coklat muda. Kekuatan kertas tergantung dari kadar airnya. Untuk mengatasinya kertas dilapisi lak penyekat. Biasa digunakan pada lilitan kawat, kumparan, penyekat kabel, dan kondensator kertas. Biasanya memiliki ketebalan tertentu.

  • Prespan

Dibanding dengan kertas, prespan lebih padat, jadi kurang menyerap air.

  • Kayu

Pada jaman dahulu sering digunakan untuk tiang listrik. Kayu dapat rusak karena factor biologi, supaya tahan lama kayu harus diawetkan lebih dulu. Kayu juga harus dimampatkan agar kadar airnya dapat berkurang.

c) GELAS DAN KERAMIK

  • Gelas

Merupakan penyekat yang baik untuk listrik, namun sangat rapuh. Biasanya dipakai dalam pembuatan bola lampu pijar.

  • Keramik

Keramik memiliki daya sekat yang tinggi. Biasanya dibuat menjadi porselin dan steatite.

  • Steatit

Bagian dari dalam saklar dan kotak tusuk. Biasanya juga pembuatan manik-manik untuk menyekat kawat penghubung yang dapat melentur dan letaknya berdekatan dengan alat pemanas listrik.

  • Porselin

Merupakan bahan yang penting dalam penyekatan karena memiliki kekukuhan mekanis yang sangat besar.Untuk pembuatan bagian isolasi alat-alat listrik yang harus menahan gaya tekan yang berat, bahan porselin baik sekali. Air tidak dapat menyerap karena adanya email pada permukaan.

d) PLASTIK

Sifat baik dari bahan plastic antara lain : ringan, daya hantar panas rendah, tahan air, dan daya sekat tinggi. Untuk dipakai pada bahan yang lebih panas, plastic kurang baik. Ada 2 jenis plastic yaitu:

  • Thermoplastik

Pada suhu 60 derajat sudah menjadi lunak. Pemanasan sampai mencair tidak merubah struktur kimiawi.

  • Thermosetting plastic.

Bahan ini telah mengalami proses pencairan dan telah dicetak dan mengalami perubahan struktur kimiawi sehingga tidak dapat lunak lagi walaupun dipanaskan.

e) KARET DAN EBONIT

  • Karet

Bersifat elastis dan berguna untuk menahan tumbukan. Digunakan sebagai penyekat hantaran listrik, penggunaan pipa karet untuk menyekat sepatu kabel, dan pembungkus kabel.

  • Ebonit

Dapat dibengkokan dalam air yang mendidih, dapat dikikir, dibor, dan dibubut. Tahan terhadap asam dan dipakai sebagai bak akumulator. Tidak dapat menyerap air. Tidak tahan panas.

f) BAHAN-BAHAN YANG DIPADATKAN

  • Lilin dan Parafin

Cepat mencair, mempunyai sifat tidak menyerap air dan hasilnya berlimpah, dijadikan salah satu bahan yang berguna untuk penyekat listrik walaupun titik leleh relative rendah. Biasa dipakai pada Kondensator atau pada bdang arus lemah.

2. CAIR

  • Minyak Transformator

Diperlukan sebagai pendingin pada transformator yang di akibatkan lilitan kawat. Tanpa pendinginan akan merusak penyekat inti, lilitan dan pada bagian tertentu.

  • Minyak kabel

Umumnya dibuat pekat dan untuk menambah pekat dapat dicampur dengan dammar. Digunakan untuk memadatkan penyekat kertas pada kabel tenaga, kabel tanah, terutama kabel tegangan tinggi.

3. GAS

  • Nitrogen

Digunakan sebagai pengontrol saluran kabel pengisi/distribusi untuk mengetahui masih baik tidaknya penyekat kabel yang dipakai. Terutama pada kabel tanah yang sering terjadi karat, goresan dan retak pada timah hitam.

  • Hidrogen

Hidrogen digunakan sebagai pendingin turbogenerator dan kondensor sinkron. Walaupun sebagai pendingin juga merupakan penyekat panas dan listrik.

  • Carbon Dioksida

Digunakan dalam turbogenerator. Memiliki sifat mematikan api. Sebagai pengaman untuk pencampuran hydrogen dan udara yang dapat mengakibatkan ledakan.

BAHAN ISOLATOR

Klasifikasi bahan isolasi  berdasarkan suhu kerja maksimum:

Kelas Suhu kerja maksimum
Y 90° C
A 105° C
E 120° C
B 130° C
F 155° C
H 180° C
C diatas 180° C

  1. Kelas Y

Yang dapat digolongkan dalam kelas Y adalah : katun, sutera alam wol sintetis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrit, polietilin, polivinil, karet.

  1. Kelas A

Yang dapat digolongkan dalam kelas A adalah : bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam vernis, aspal, minyak trafo, email yang dicampur vernis dan poliamid.

  1. Kelas E

Yang dapat digolongkan dalam kelas E adalah : penyekat kawat email yang memakai bahan pengikat polivinil formal, poli urethan dan damar epoksi dan bahan pengikat lain semacam itu dengan bahan pengisi selulose, pertinaks dan tekstolit, film triasetat, filem serat polietilin tereftalat.

  1. Kelas B

Yang dapat digolongkan dalam kelas B adalah : bahan nonorganik (mika, gelas, fiber, asbes) dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau konpon, bitumen, sirlak, bakelit dan sebagainya.

  1. Kelas F

Yang dapat digolongkan dalam kelas F adalah : bahan bukan organik dicelup dan direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi.

  1. Kelas H

Yang dapat digolongkan dalam kelas H adalah : semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni.

  1. Kelas C

Yang dapat digolongkan dalam kelas C adalah : bahan onorganik yang tidak dicelup dan tidak diikat dengan subtansi organik, misalnya mika, mikanit yang tahan panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas C yaitu polietra flouroetilin (teflon).

Pengertian Bahan Penghantar (Konduktor)

Bahan  konduktor merupakan penghantar listrik yang baik . Bahan ini mempunyai daya hantar listrik ( Electrical Conductivity ) yang besar dan tahanan listrik ( Electrical resistance )  yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel , kumparan/ lilitan yang ada pada alat listrik yang anda jumpai . Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik , bahan penghantar yang sering di jumpai adalah tembaga dan alumunium  .

Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratan sebagai berikut.

  1. Konduktifitasnya cukup baik.
  2. Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi.
  3. Koefisien muai panjangnya kecil.
  4. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar

Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:

  1. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
  2. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk menaikkankekuatan mekanisnya.
  3. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).

Klasifisikasi konduktor menurut konstuksinya :

  1. kawat padat (solid wire) berpenampang bulat.
  2. kawat berlilit (standart wire) terdiri 7 sampai dengan 61 kawat padat yang dililit menjadi satu, biasanya berlapis dan konsentris.
  3. kawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untukmendapatkan garis tengah luar yang besar.

Karakteristik konduktor

Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor , yaitu :

  1. karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30° C, maka kemampuan maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).
  2. karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya (dari SPLN 41-10 : 1991, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30o C, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).

Kriteria Bahan Konduktor

Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur – unsur pemadu, impurity atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur – unsur pemandu selain mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat – sifat mekanika dan fisika lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik dari pada yang lebih rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah.
Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan penghantar itu sendiri.

Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata juga sangat ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi antara nilai teknis dan ekonomi logam yang akan digunakan mutlak diperhatikan. Nilai kompromi termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan. Pada saat ini, logam Tembaga dan Aluminium adalah logam yang terpilih diantara jenis logam penghantar lainnya yang memenuhi nilai kompromi teknis ekonomis termurah.

Dari jenis–jenis logam penghantar pada tabel 1. diatas, tembaga merupakan penghantar yang paling lama digunakan dalam bidang kelistrikan. Pada tahun 1913, oleh International Electrochemical Comission (IEC) ditetapkan suatu standar yang menunjukkan daya hantar kawat tembaga yang kemudian dikenal sebagai International Annealed Copper Standard (IACS). Standar tersebut menyebutkan bahwa untuk kawat tembaga yang telah dilunakkan dengan proses anil (annealing), mempunyai panjang 1m dan luas penampang 1mm2, serta mempunyai tahanan listrik (resistance) tidak lebih dari 0.017241 ohm pada suhu 20oC, dinyatakan mempunyai konduktivitas listrik 100% IACS.

Akan tetapi dengan kemajuan teknologi proses pembuatan tembaga yang dicapai dewasa ini, dimana tingkat kemurnian tembaga pada kawat penghantar jauh lebih tinggi jika dibandingkan pada tahun 1913, maka konduktivitas listrik kawat tembaga sekarang ini bisa mencapai diatas 100% IACS.

Untuk kawat Aluminium, konduktivitas listriknya biasa dibandingkan terhadap standar kawat tembaga. Menurut standar ASTM B 609 untuk kawat aluminium dari jenis EC grade atau seri AA 1350(*), konduktivitas listriknya berkisar antara 61.0 – 61.8% IACS, tergantung pada kondisi kekerasan atau temper. Sedangkan untuk kawat penghantar dari paduan aluminium seri AA 6201, menurut standar ASTM B 3988 persaratan konduktivitas listriknya tidak boleh kurang dari 52.5% IACS. Kawat penghantar 6201 ini biasanya digunakan untuk bahan kabel dari jenis All Aluminium Alloy Conductor (AAAC).

Disamping persyaratan sifat listrik seperti konduktivitas listrik diatas, kriteria mutu lainnya yang juga harus dipenuhi meliputi seluruh atau sebagian dari sifat – sifat atau kondisi berikut ini, yaitu:

a.komposisi kimia.

b.sifat tarik seperti kekuatan tarik (tensile strength) dan regangan tarik (elongation).

  1. sifat bending
  2. diameter dan variasi yang diijinkan.
  3. kondisi permukaan kawat harus bebas dari cacat, dan lain-lain.

Sifat-Sifat Bahan Konduktor :

Bahan-bahan listrik mempunyai sifat-sifat penting ,seperti :

  1. Daya hantar listrik
  2. Koefisian suhu tahanan
  3. Daya hantar panas
  4. Kekuatan tegangan tarik , dan
  5. Timbulnya daya eletro-motoris termo
  1. a)Daya Hantar Listrik

Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1mm2 pada temperatur200C dinamakan hambatan jenis. Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

R= ρl/A

dimana :

R : Hambatan dalam penghantar, satuanya ohm (Ω)

ρ  : hambatan jenis bahan, dalam satuan ohm.mm2/m

l   : panjang penghantar, satuannya meter (m)

A : luas penampang kawat penghantar, satuanya mm2

  1. b)Koefisien Temperatur Hambatan

Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami perubahan volume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. Besarnya perubahan hambatan akibat perubahan suhu dapat diketahui dengan persamaan ;

R = R0 { 1 + α (t – t0)},

dimana :

R : besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu

R0 : besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan suhu

T : temperatur suhu akhir, dalam 0C

t0 : temperatur suhu awal, dalam 0C

α : koefisien temperatur tahanan

nilai tahanan jenis , berat jenis dan titik cair dari bermacam-macam bahan dapat dilihat pada tabel 6.1

Nama bahan Tahanan  Jenis Berat Jenis Titik Cair
PerakTembaga

Cobalt

Emas

Alumunium

Molibdin

Wolfram

Seng

Kuningan

Nikel

Platina

Nikeline

Timah putih

Baja

Vanadium

Bismuth

Mangan

Timbel

Duralumunium

Manganin

Konstanta

Air raksa

 0,0160,0175

0,022

0,022

0,03

0,05

0,05

0,06

0,07

0,079

0,1

0,12

0,12

0,13

0,13

0,2

0,21

0,22

0,48

0,48

0,5

0,958

 10,58,9

8,42

19,3

2,56

10,2

19,1

7,1

8,7

8,9

21,5

–

7,3

7,8

5,5

9,85

7,4

11,35

2,8

–

8,9

13,56

 9601083

1480

1063

660

2620

3400

420

1000

1455

1774

–

232

1535

1720

271

1260

330

–

–

–

-38,9

Bahan penghantar yang paling banyak dipakai adalah tembaga , karena tenbaga merupakan bahan penghantar yang paling baik setelah perak dan harganya pun murah karena banyak terdapat dimana-mana . Akhir-akhir ini banyak digunakan alumunium dan baja  sebagai penghantar walaupun tahanan jenisnya cukup besar , hal ini dengan pertimbangan sangat berlimpah dan harganya menjadi lebih murah .

  1. c)Daya Hantar Panas

Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesin listrik beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi sedangkan bahan-bahan bukan logam rendah.

  1. d)Daya Tegangan Tarik

Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan tersebut harus diketahui kekuatanya. Terutama menyangkut penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi. Penghantar listrik dapat berbentuk padat , cair , atau gas . yang berbentuk padat umumnya logam , elektrolit dan logam cair (air raksa) merupakan penghantar cair , dan udara yang diionisasikan dan gas-gas mulia (neon) ,kripton ,dsb) sebagai penghantar bentuk gas .

  1. e)Timbulnya daya Elektro-motoris Termo

Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya elektro-motoris termo tersendiri bila terjadi perubahan temperatur suhu.

Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi, sehingga dalam pengaturan arus dan tegangan dapat menyimpang meskipun sangat kecil. Besarnya perbedaan tegangan yang dibangkitkan tergantung pada sifat-sifat kedua bahan yang digunakan dan sebanding dengan perbedaan temperaturnya. Daya elektro-motoris yang dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan daya elektro-motoris termo.

Macam-macam Bahan Konduktor

Fungsi penghantar pada teknik lisrik adalah untuk menyalurkan energi listrik adalah untuk menyalurkan energi listrik dari satu titik ke titik lain . Penghantar yang lazim digunakan antara lain :

Tembaga dan Alumunium. Beberapa bahan penghantar yang masih ada dan relevasinya ,antara lain :

  • Alumunium

Alumunium murni mempunyai massa jenis 2,7 g/cm3 , titik leleh 658 0C dan tidak korosif .Daya hantar alumunium sebesar 35 m/ohm.mm2 atau kira- kira 61,4 % daya hantar tembaga .alumunium mempunyai bentuk yang lunak , kekuatan tariknya hanya 9 km/mm2. Untuk itu jika alumunium digunakan sebagai penghantar yang dimensinya cukup besar, selalu diperkuat dengan baja atau paduan Alumunium. Penggunaan yang demikian misalnya pada : ACSR (Alumunium Conductor Steel Reinforced ). Kontuksi penghantar dari alumunium dan baja dapat dilihat pada gambar 6.1

Penggunaan alumunium yang lain adalah untuk bustar , dan karena alasan tertentu misalnya ekonomi, maka dibuat penghantar alumu nium yang berisolasi , seperti : ACSR – OW . Menurut ASA (american Standart Association ), paduan alumunium diberi tanda seperti pada tabel berikut :

Tabel 6.1 penandaan Paduan Alumunium

Nama Bahan Penaan daan
Alumunium (kemurnian minimum 99%)Paduan yang mayoritas terdiri dari :

Tembaga

Mangan

Silikon

Magnesium

Magnesium dan silikon

Seng

Lain-lain

Seri-seri yang tidak digunakan

 1xxx2xxx

3xxx

4xxx

5xxx

6xxx

7xxx

8xxx

9xxx
  • Tembaga

Tembaga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi yaitu 57 mm2/m pada suhu 20 oC. Koefisien suhu tembaga 0,004 per oC . Kurva resistivitas tembaga terhadap  suhu tidak linier.

Pemakaian tembaga pada teknik listrik yang terpenting adalah sebagai penghantar, misalnya : kawat berisolasi (NYA, NYAF), kabel (NYM, NYY, NYFGbY), busbar, lamel mesin dc, cincin seret pada mesin ac, dan lain-lain. Tembaga mempunyai ketahanan terhadap korosi, oksidasi. Massa jenis tembaga murni pada suhu 200C adalah 8,96 g/cm3, titik beku 10830C. Kekuatan tarik tembaga tidak tinggi berkisar antara 20 hingga 40 kg/mm2, kekuatan tarik batang tembaga akan naik setelah batang tembaga diperkecil penampangnya untuk dijadikan kawat berisolasi atau kabel. Cara memperkecil penampang batang tembaga menjadi kawat dengan menggunakan penarik.

Untuk memperkecil penampang batang tembaga digunakan batu tarik (die) yang besarnya beragam, makin ke ujung makin kecil penampang rautannya. Makin kecilpenampang kawat diperlukan, makin banyak tahapan batu tarik yang digunakan. Bahan batu tarik untuk pembuatan kawat yang cukup besar diameternya adalah wolframkarbida,sedangkan untuk pembuatan kawat yang diameternya kecil adalah intan.Selama penarikan akan terjadi penambahan panjang. Untuk itu roda tarik yang dipasangdi belakang batu tarik putarannya atau diameternya dibuat lebih besar.

Sesudah diadakan penarikan terhadap batang tembaga menjadi kawat, tembaga akan lebih lenting. Keadaan ini kurang baik digunakan sebagai kawat berisolasi atau kabel. Agar tembaga menjadi lunak kembali perlu diadakan pemanasan. Namun harus diusahakanselama proses penarikan tidak terjadi oksidasi. Setelah proses pemanasan selesai, maka proses pembuatan kawat berisolasi atau kabel dapat dimulai.

Untuk penghantar yang penampangnya lebih kecil dari 16 mm2 digunakan penghantar pejal, sedangkan untuk penghantar yang penampangnya > 16 mm2 digunakan penghantar serabut yang dipilin.Pemberian isolasi pada kawat berisolasi.

Kawat dari gulungan A ditarik melalui alat ekstrusi B . selanjutnya pvc yang keluar dari C didinginkan pada bak pendingin D. Keluar dari D kawat yang sudah terisolasi diuji dengan pengujian cetusan (spark testing) E, ditarik dengan penarik F dan selanjutnya digulung dengan penggulung G.

  • Baja

Baja merupakan logam yang terbuat dari besi dengan campuran karbon. Berdasarkan campuran karbonnya, baja dikategorikan menjadi tiga macam, yaitu : baja dengan kadar karbon rendah ( 0 – 25 %), baja dengan kadar karbon menengah (0,25 –0,55 %), dan baja dengan kadar karbon tinggi ( di atas 0,55 %). Meskipun konduktivitas baja rendah yaitu :

tetapi digunakan pada penghantar transmisi yaitu ACSR, dimana fungsi baja dalam hal ini adalah untuk memperkuat konduktor aluminium secara mekanis setelah digalvanis dengan seng. Keuntungan dipakainya baja pada ACSR adalah menghemat pemakaian aluminium. Berdasarkan pertimbangan di atas, maka dibuat penghantar bimetal (berbeda dengan termal bimetal pada pengaman) seperti gambar 6.5.

Keuntungan dari penghantar dengan menggunakan bimetal, antara lain :

  1. Pada arus bolak balik ada kecenderungan arus melalui bagian luar konduktor (efek kulit)
  2. Dengan melapisi baja menggunakan tembaga, maka baja sebagai penguat penghantar terhindar dari korosi. Pemakaian penghantar bimetal selain untuk kawat penghantar adalah untuk busbar, pisau hubung, dan lain-lain.
  • Wolfram

Logam ini berwarna abu-abu keputih -putihan, mempunyai massa jenis 20 g/cm3, titik leleh 34100C, titik didih 59000C, ? =4,4.10– 6 per 0 C, tahanan jenis 0,055? .mm2/m. Wolfram diperoleh dari tambang yang pemisahannya dengan menggunakan magnetik atau proses kimia. Dengan reaksi reduksi asam wolfram (H2WO4) dengan suhu 7000C diperoleh bubuk wolfram. Bubuk wolfram kemudian dibentuk menjadi batangan dengan suatu proses yang disebut metalurgi bubuk yang menggunakan tekanan dan suhu tinggi (2000 atm, 16000C) tanpa terjadi oksidasi. Dengan menggunakan mesin penarik, batang wolfram diameternya dapat diperkecil menjadi 0,01 mm (penarikan dilakukan pada keadaan panas). Penggunaan walfram pada teknik listrik antara lain untuk : filamen (lampu pijar, lampu halogen, lampu ganda), elektroda, tabung elektronik, dan lain-lain.

  • Molibdenum

Sifat logam ini mirip dengan wolfram, begitu pula cara mendapatkannya. Molibdenum mempunyai massa jenis 10,2 g/cm3, titik leleh 26200C, titik didih 37000C, ? = 53. 10– 7 per 0 C, resistivitasnya 0,048 ? .mm2/m, koefisien suhu 0,0047 per 0 C. Penggunaan Molibdenum, antara lain : tabung sinar X, tabung hampa udara, karena molibdenum dapat membentuk lapisan yang kuat dengan gelas. Sebagai campuran logam yang digunakan untuk keperluan yang keras, tahan korosi, dan bagian-bagian yang digunakan pada suhu tinggi.

  • Platina

Platina merupakan logam yang berat, berwarna putih keabu-abuan, tidak korosif, sulit terjadi peleburan dan tahan terhadap sebagian besar bahan kimia. Massa jenisnya 21,4 g/cm3, titik leleh 17750C, titik didih 45300C, ? = 9. 10– 6 per 0 C, resistivitasnya 0,1 ? .mm2/m, koefisien suhu 0,00307 per 0 C. Platina dapat dibentuk menjadi filament yang tipis dan batang yang tipis-tipis.

Penggunaan platina pada teknik listrik antara lain untuk elemen pemanas pada laboratorium tentang oven atau tungku pembakar yang memerlukan suhu tinggi yaitu di atas 13000C, untuk termokopel platina-rhodium (bekerja di atas 16000C), platina dengan diameter + 1 mikron digunakan untuk menggantung bagian gerak pada meter listrik dan instrumen sensitif lainnya, dan untuk bahan potensiometer. Berikut adalah tabel konstanta untuk bahan penghantar.

  • Air Raksa

Air raksa adalah satu-satunya logam berbentuk cair pada suhu kamar.Resistivitasnya 0,95 ? .mm2/m, koefisien suhu 0,00027 per 0 C. Pada pemanasan diudara air raksa sangat mudah terjadi oksidasi. Air raksa dan campurannya khusus uap air raksa adalah beracun. Penggunaan air raksa antara lain : gas pengisi tabung elektronik, penghubung pada sakelar air raksa, cairan pada pompa diffusi, elektroda pada instrumen untuk mengukur sifat elektris bahan dielektrik padat. Logan lain yang juga banyak digunakan pada teknik listrik, antara lain : tantalum dan niobium.

Tantalum dan niobium yang dipadukan dengan aluminium banyak digunakan sebagai kapasitor elektrolitik.

  1. Bahan-Bahan resistivitas Tinggi

Bahan resistivitas tinggi yang digunakan untuk peralatan yang memerlukan resistansi yang besar agar bila dialiri arus listrik akan terjadi penurunan tegangan yang besar. Contoh penggunaan bahan resistivitas tinggi antara lain : pada pemanas listrik, rheostat dan resistor. Bahan -bahan ini harus mempunyai koefisien suhu yang rendah. Untuk elemen pemanas, pada suhu tinggi untuk waktu yang lama tidak boleh terjadi oksidasi dan meleleh.

Bahan-bahan yang resistivitasnya tinggi antara lain : konstantan, manganin, nikron dan fechral yang komposisinya ditunjukkan pada tabel 6.3.

Tabel 6.3 Bahan Resistivitas Tinggi

Nama Paduan Komposisi(%) Massajenis Resistivitas? .mm2/m Koefisien suhu10– 5 per 0 C
KonstantanKromel

Manganin

Nikrom

Fechral

Nikelin

 60 Cu, 40 Ni0,7 Mn, 0,6 Ni, 23-27 Cr,

4,5-6,5 Al + Fe

86 Cu, 12 Mn, 2 Ni

1,5 Mn, 75-78 Ni, 20-23

Cr, sisanya Fe

0,7 Mn, 0,6 Ni, 12-15 Cr,

3,5-5 Al, sisanya Fe

54 Cu, 26 Ni, 20 Zn

 8,96,9 – 7,3

8,4

8,4 – 8,5

7,1 – 7,5

–

 0,48 – 0,521,3 – 1,5

0,42 – 0,48

1 – 1,1

1,2 – 1,35

0,4 – 0,47

 5,256,5

5,3

10 – 20

10 – 12

23
  • Timah Hitam

Timah hitam mempunyai massa jenis 11,4 g/cm3, agak lunak, meleleh pada suhu 3270C, titik didih 15600C, warna abu-abu dan sangat mudah dibentuk, yang merupakan bahan yang tahan korosi dan mempunyai konduktivitas 4,5 m/? .mm2. Pemakaian timah hitam pada teknik listrik antara lain : sel akumulator, selubung kabel tanah, disamping digunakan sebagai pelindung pada industri nuklir. Timah hitam tidak tahan terhadap pengaruh getaran dan mudah mengikat sisa asam. Untuk pemakaian sebagai pelindung kabel tanah jika ditanam pada tempat tersebut diperlukan pelindungan tambahan. Kapur basah, air laut, dan semen baah dapat bereaksi dengan timah hitam. Itulah sebabnya disamping timah hitam sebagai pelidung kabel tanah, juga digunakan paduan dari timah hitam yang mempunyai struktur kristal yang lebih halus, lebih kuat, dan lebih tahan getaran. Tetapi bahan ini adalah lebih mudah korosi dan mengandung racun.

Pengertian Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah,

Prinsip Dasar Semikonduktor

Semikonduktror mempunyai sifat kekonduksian diantara konduktor dan isolator. Contoh bahan semikonduktror ialah Silikon, Germanium, Plumbum Sulfida, Gallium Arsenida, Indium Antimi dadan Selenium. Bahan-bahan yang mempunyai sifat semikonduktif memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yaitu 10-6 – 104 ohm.

Medan konduktivitas sebesar 10-6 – 104 ohm-2 m-2 dengan energi gap yang lebih kecil dari 6 eV. Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah jalur dari jalur valensi ke jalur konduksi. Bahan dasar semikonduktor dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:

  1. Trivalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 3 buah, contoh: Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In) .
  2. -Tetravalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 4 buah seperti: Silikon (Si), dan Germanium (Ge).
  3. Pentavalent, memiliki atom dengan jumlah electron valensi 5 buah, contoh: Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb).

Susunan Atom Semikonduktor

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si),Germanium (Ge) dan Galium 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. Silikonmerupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2).

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°K). Struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut:

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom keinti 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.

Bahan dasar semikonduktor

  • Persiapan bahan semikonduktor

Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia

yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) menganggu properti semikonduktivitas dari material.

Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara 4 – 12 inci (± 30 cm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian di iris menjadi wafer .

Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan.

  • Macam-macam Badan Semikonduktor dan Penggunaannya
No Nama Semikonduktor Penggunaannya
1 Barium Titinate (Ba Ti) Termistor (PTC)
2 Bismut Telurida (Bi2 Te3) Konversi termo elektrik
3 Cadmium sulfide (Cd S) Sel Fotokonduktif
4 Gallium arsenide (Ga As) Dioda, transistor, laser, led, generator gelombang dan Mikro
5 Germanium (Ge) Diode dan transistor
6 Indium antimonida (In Sb) Magnetoresistor, piezoresistor detektor dan  radiasi inframerah
7 Indium arsenida (In As) Piezoresistor
8 Silikon (Si) Diode, transistor dan IC
9 Silikon Carbida (Si Cb) Varistor
10 Seng Sulfida (Zn S) Perangkat penerangan elektro
11 Germanium Silikon (Ge Si) Pembangkitan termoelektrik
12 Selenium (Se) Rectifier
13 Aluminium Stibium (Al Sb) Diode penerangan
14 Gallium pospor (Ga P) Diode penerangan
15 Indium pospor (In P) Filter inframerah
16 Tembaga Oksida Rectifier
17 Plumbun Sulfur (Pb S) Foto sel
18 Plumbun Selenium (Pb Se) Foto sel
19 Indium Stibium (In Sb) Detektor inframerah, filter inframerah dan generator Hall

Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14, merupakan unsur terbanyak kedua di bumi. Senyawa yang dibentuk bersifat paramagnetik. Unsur kimia ini ditemukan oleh (Jons Jakob Berzelius 1923). silikon hampir 25,7% mengikut berat. Biasanya dalam bentuk silikon dioksida (silika) dan silikat. Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikon.

Macam-Macam Semikonduktor


  1. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni tanpa adanya bahan pengotor. Silikon dan Germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika. Keduanya terletak pada golongan IVA dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.

Energi yang diperlukan untuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1 eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K), sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas. Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi kepita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalent terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati electron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru ditempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.

Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”. Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat arus dinyatakan sebagai konduktivitas. Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara serentak, maka pada semikonduktor murni, besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk pasangan elektron dan hole pada semikonduktor intrinsik ditentukan oleh jarak celah energi antara pita valensi dengan pita konduksi semakin jauh jaraknya maka semakin besar energi yang dibutuhkan untuk membentuk elektron – hole sebagai pembawa muatan.

  • Semikonduktor Ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang prosesnya melalui proses pendopingan atau pengotoran bahan atom tertentu pada bahan semikondultor untuk menaikkan daya hantar semikonduktor. Terdapat dua tipe dalam semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe n dan semikonduktor tipe p.

  • Semikonduktor tipe n

Semikonduktor tipe n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalent pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalent menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalent lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan. Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n, karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Dan karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.


  1. Semikonduktor Tipe p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe n, semikonduktor tipe p dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor trivalent pada semikonduktor murni, misalnya: silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan yangdisebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe p. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor).

Cara Kerja Semikonduktor

Dalam kinerja semikonduktor kami mengambil transistor sebagai contoh dari cara kerja semikonduktor.

Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik. Untuk mengerti cara kerjasemikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (chargecarriers). Sehingga air murni dianggap sebagai isolator . Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator ), karena pembawa muatanya tidak bebas.

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan electron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 elektron valensi di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4 elektron valensi. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron valensi di orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan “lubang” (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak-menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom.

Demikian Ulasan Tentang Isolator, Konduktor dan Semikonduktor: Pengertian, Macam, Bentuk, Bahan dan Cara Kerja Semoga Dapat Bermanfaat Bagi Sahabat Setia DosenPendidikan.Com Amin