Elektronika Dasar - Pita Energi
Pada zat gas, susunan molekulnya tidak rapat. Dalam cairan, susunan molekulnya sedang. Tetapi, dalam padatan, molekul-molekulnya tersusun sangat rapat, sehingga elektron-elektron dalam atom-molekul cenderung berpindah ke orbital atom-atom tetangga. Karenanya orbital elektron tumpang tindih ketika atom-atom bersatu.
Karena percampuran atom dalam padatan, alih-alih tingkat energi tunggal, akan ada pita tingkat energi yang terbentuk. Kumpulan tingkat energi ini, yang sangat padat disebut sebagaiEnergy bands.
Valance Band
Elektron bergerak di atom pada tingkat energi tertentu tetapi energi elektron di kulit paling dalam lebih tinggi daripada elektron kulit terluar. Elektron yang ada di kulit terluar disebut sebagaiValance Electrons.
Elektron kelambu ini, yang mengandung serangkaian tingkat energi, membentuk pita energi yang disebut Pita Valensi. Ituvalence bandadalah band yang memiliki energi terisi tertinggi .
Pita konduksi
Elektron valensi terikat begitu longgar ke inti sehingga bahkan pada suhu kamar, sedikit elektron valensi yang meninggalkan pita menjadi bebas. Ini disebut sebagaifree electrons karena mereka cenderung bergerak menuju atom tetangga.
Elektron bebas ini adalah elektron yang menghantarkan arus dalam konduktor dan karenanya disebut sebagai Conduction Electrons. Pita yang mengandung elektron konduksi disebut sebagaiConduction Band. Pita konduksi adalah pita yang memiliki energi terisi terendah .
Celah terlarang
Kesenjangan antara pita valensi dan pita konduksi disebut sebagai forbidden energy gap. Sesuai dengan namanya, band ini termasuk band terlarang tanpa energi. Karenanya tidak ada elektron yang tinggal di pita ini. Elektron valensi, saat pergi ke pita konduksi, melewati ini.
Celah energi terlarang jika lebih besar, berarti elektron pita valensi terikat erat ke inti. Sekarang, untuk mendorong elektron keluar dari pita valensi, diperlukan energi eksternal, yang akan sama dengan celah energi terlarang.
Gambar berikut menunjukkan pita kelambu, pita konduksi, dan celah terlarang.
Bergantung pada ukuran celah terlarang, Insulator, Semikonduktor dan Konduktor terbentuk.
Insulator
Isolator adalah bahan yang konduksi tidak dapat terjadi, karena celah terlarang yang besar. Contoh: Kayu, Karet. Struktur pita energi pada Insulator ditunjukkan pada gambar berikut.
Karakteristik
Berikut ini adalah karakteristik dari Isolator.
Celah energi Terlarang sangat besar.
Elektron pita kelambu terikat erat pada atom.
Nilai celah energi terlarang untuk isolator akan menjadi 10eV.
Untuk beberapa isolator, dengan meningkatnya suhu, mereka mungkin menunjukkan beberapa konduksi.
Resistivitas isolator akan berada di urutan 107 ohm-meter.
Semikonduktor
Semikonduktor adalah bahan yang celah energi terlarangnya kecil dan konduksi terjadi jika energi eksternal diterapkan. Contoh: Silicon, Germanium. Gambar berikut menunjukkan struktur pita energi dalam semikonduktor.
Karakteristik
Berikut ini adalah karakteristik Semikonduktor.
Celah energi Terlarang sangat kecil.
Celah terlarang untuk Ge adalah 0.7eV sedangkan untuk Si 1.1eV.
Semikonduktor sebenarnya bukanlah isolator, atau konduktor yang baik.
Saat suhu meningkat, konduktivitas semikonduktor meningkat.
Konduktivitas semikonduktor akan berada di urutan 102 mho-meter.
Konduktor
Konduktor adalah bahan di mana celah energi terlarang menghilang saat pita valensi dan pita konduksi menjadi sangat dekat sehingga tumpang tindih. Contoh: Tembaga, Aluminium. Gambar berikut menunjukkan struktur pita energi pada konduktor.
Karakteristik
Berikut ini adalah karakteristik Konduktor.
Tidak ada celah terlarang di konduktor.
Pita kelambu dan pita konduksi saling tumpang tindih.
Elektron bebas yang tersedia untuk konduksi cukup banyak.
Sedikit peningkatan voltase, meningkatkan konduksi.
Tidak ada konsep pembentukan lubang, karena aliran elektron yang kontinyu menyumbang arus.
Istilah Penting
Ada kebutuhan untuk membahas beberapa istilah penting di sini sebelum kita beralih ke bab-bab selanjutnya.
Arus
Ini hanyalah aliran elektron. Aliran elektron atau partikel bermuatan yang berkelanjutan, dapat disebut sebagai Arus. Ini ditunjukkan denganI atau i. Ini diukurAmperes. Ini bisa berupa arus bolak-balik AC atau arus searah DC.
Tegangan
Ini adalah perbedaan potensial. Ketika terjadi perbedaan potensialitas, antara dua titik, dikatakan ada perbedaan tegangan, diukur antara dua titik tersebut. Ini ditunjukkan denganV. Ini diukurVolts.
Perlawanan
Ini adalah properti yang melawan aliran elektron. Kepemilikan properti ini dapat disebut sebagai resistivitas. Ini akan dibahas nanti secara rinci.
Hukum Ohm
Dengan istilah yang dibahas di atas, kita memiliki hukum standar, yang sangat penting untuk perilaku semua komponen elektronik, yang disebut Hukum Ohm. Ini menyatakan hubungan antara arus dan tegangan dalam konduktor yang ideal.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Konduktor yang ideal tidak memiliki hambatan. Namun dalam praktiknya, setiap konduktor memiliki hambatan di dalamnya. Saat resistansi meningkat, penurunan potensial juga meningkat dan karenanya tegangan meningkat.
Karenanya the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Tetapi current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Oleh karena itu, dalam praktiknya, hukum Ohm dapat dinyatakan sebagai -
According to Ohm’s law, the current flowing through a conductor is proportional to the potential difference across it, and is inversely proportional to the resistance it offers.
Hukum ini membantu dalam menentukan nilai parameter yang tidak diketahui di antara ketiganya yang membantu menganalisis rangkaian.