LAPORAN PRAKTIKUM R-Lab

LR-03 “KARAKTERISTIK V I SEMIKONDUKTOR”

Nama : Robby Muliadi

NPM : 1306407546

Fakultas : Teknik

Departemen : Teknik Mesin

Program Studi : Teknik Perkapalan

Nomor Praktikum : LR-03

Tanggal Praktikum : 25 September 2014

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar

(UPP-IPD)

Universitas Indonesia

I. Tujuan

Melihat karakteristik hubungan beda potensial (V) dengan arus listrik (I) pada

suatu semikonduktor

II. Peralatan

Bahan semikonduktor

Amperemeter

Voltmeter

Variable power supply

Camcorder

Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

III. LandasanTeori

Semikonduktor adalah sebuah bahan yang memiliki kualitas konduktivitas

listrik di antara insulator dan konduktor. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara

10-3Ωm sampai dengan sekitar 103Ωm. Atom-atom yang dimiliki bahan semi

konduktor membentuk kristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen.

Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah,

namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang

sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Pada 0 K, SI

mempunyai lebar pita (energy gap) 0,785 eV, dan Ge 1,21 eV. Baik Si maupun Ge

mempunyai elektron valensi 4. Ada 2 jenis bahan semikonduktor yaitu semikonduktor

intrinsik (murni) dan semi konduktor ekstrinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor

ekstrinsik ada 2 tipe yaitu tipa P dan tipe N.

Semi konduktor instrinsik

Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semi konduktor yang tidak ataupun

belum terkotori/tercemar oleh atom-atom asing. Pada 0 K pita valensi penuh, pita

konduksi kosong sehingga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal

pada suhu kamar ada elektron pada pita valensi yang energinya melebihi energi gap

sehingga elektron dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron

bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan ini disebut

hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif (+) sebesar muatan elektron.

Semikonduktor intrinsik pada suhu 0 K bersifat sebagai isolator, dan pada

suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor karena adanya pembentukan pasangan-

pasangan eletron bebas hole yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan.

Jika konsentrasi (jumlah per volume) elektron bebas dalam semi

konduktot instrinsik dinyatakan dengan ni dan konsentrasi hole

dengan pi maka berlaku,

ni = pi

Ketergantungan konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor instrinsik

nterhadap suhu dapat ditentukan berdasarkan statistik Fermi Dirac, dan menghasilkan

formulasi sebagai berikut :

ni2= AoT

3∈-EGO/kT

Ao= tetapan tak bergantung suhu

T = suhu kelvin

EGO = energi gap pada 0 K dalam eV

K = konstante Bolzman dalam eV/K

∈ = 2,7

Daya hantar jenis dan tahanan jenis semikonduktor intrinsik diberikan oleh

persamaan-persamaan

Σ = eni(μn+ μp)

Σ = daya hantar listrik

ρ = tahan jenis

μn = mobilitas elektron bebas

μp = mobilitas hole

Semi konduktor tipe N

Semi konduktor tipe N termasuk dalam semi konduktorekstrinsik (tak murni).

Semi konduktor ekstrinsik adalah semikonduktor instrinsik yang mendapat

pengotoran (doping) atom-atom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil,

dengan perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara 1 : 100

juta sampai dengan 1 : 1 juta

Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa muatan saja

(Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk memperbesar daya hantar listrik.

Semikonduktor tipe N ialah semikonduktor eksintrik, yang diperoleh dari

semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti

As, Pb, P.

Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat kecil, maka

setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-atom asli. Elektron valensi yang ke

5 dari atom pengotortidak terikat dalam ikatan kovalen sehingga menjadi elektron

bebas. Dengan demikian pada bahan ini jumlah elektron bebas akan meningkatsesuai

jumlah atom pengotornya sehingga elektron bebas menjadi pembawa muatan

mayoritas dan hole (yang terbentuk akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas.

Karena pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang elektron bebas

bermuatan negatif, maka semikonduktor yang terbentuk diberi nama semi konduktor

tipe N. dalam hal ini N kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan

mayoritasnya. Jadi tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif.

Semikonduktor ini tetap netral.

Karena atom pengotor memberikan kelebihan elektron-elektron dalam ikatan

kovalen, maka disebut donor (atom donor). Setelah donor memberikan kelebihan

elektronnya, maka akan menjadiion positif.

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tipe N ini dinyatakan

dengan nn sedang konsentrasi holenya dinyatakan dengan pn dan konsentrasi atom

donor dinyatakan dengan ND maka berlaku :

nn ≈ ND

Menurut hukum massa aksi hasil kali konsentrasi pembawa muatan positif

dengan pembawa muatan negatif dalam keseimbangan termal merupakan suatu

tetapan yang tidak bergantung pada donor dan aseptor yang besarnya n. Maka

berdasarkan hukum ini berlaku

nn pn ≈ ND

pn =

Daya hantar jenis listriknya dapat dicari dari hubungan sebagai berikut :

jika pn diabaikan terhadap nn maka ,

Semikonduktor P

Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori

dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau Ga. Karena perbandingan

atom pengotor dengan atom asli sangat kecil, maka setiap atom pengotor hanya

bervalensi 3 maka hanya menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga ada

kekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian pengotoran ini

menyebabkan meningkatnya jumlah holeatau dengan kata lain hole sebagai pembawa

muatan mayoritas. Sedang pembawa muatan moniritasnya adalah elektron bebas yang

terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena pembawa muatan

mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif maka semikonduktor yang

terbentuk disebut semikonduktor tipe P. dalam hal ini P kependekan dari kata positif,

yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan

positif, tetapi semikonduktor ini tetap netral, seperti halnya semikonduktor tipe N.

Karena atom pengotor menyediakan kekurangan, maka disebut aseptor (atom

aseptor). Hole mudah diisi oleh elektron dan elektron yang mengisi meninggalkan

hole baru dan seterusnya sehingga ada gerakan hole. Setelah hole diisi oleh elektron,

aseptor akan menjadi ion negatif.

Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tope P ini disebut np,

konsentrasi holenya ppdan konsentrasi aseptornya NA maka analog pada

semikonduktor tipe N berlaku persamaan-persamaan :

pp ≈ NA

dan jika np diabaikan terhadap pp maka,

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena

konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa

disebut materi doping).

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah

sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan

menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan

konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu

modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai

pengganti logam.

Alat Semikonduktor atau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen

elektronik yang menggunakan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon,

Germanium, dan Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor zaman sekarang telah

menggantikan alat thermionik (seperti tabung hampa).

Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk

padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous

state). Alat-alat semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentuk dicrete

(potongan) seperti transistor, diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk

terintegrasi dalam jumlah yang sangat besar (jutaan) dalam satu keping Silikon yang

dinamakan Sirkuit terpadu (IC).

Gambar Rangkaian tertutup Semikonduktor

IV. Langkah Kerja

Eksperimen r-Lab ini dilakukan dengan cara masuk ke

http://sitrampil.ui.ac.id/elaboratory dengan memilih LR03–karakteristik VI

Semikonduktor dan melakukan langkah berikut:

1. Memerhatikan halaman web percobaan karakteristik VI semi konduktor.

2. Memberikan beda potensial dengan memberi tegangan V1.

3. Mengaktifkan power supply/baterai dengan mengklik radio button

disebelahnya.

4. Mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan!

5. Mengulangi langkah 3 hingga 5 untuk beda potensial V2 hingga V8

V. Data Pengamatan

Data yang diperoleh adalah sebagai berikut:

V1

V(volt) I(mA)

0.41 3.26

0.40 3.58

0.41 3.26

0.41 3.26

0.41 3.26

V2

0.92 7.82

0.92 7.82

0.92 7.82

0.92 7.82

0.92 7.82

V3

1.37 12.06

1.37 12.06

1.37 12.06

1.37 12.06

1.37 12.06

V4

1.85 16.62

1.85 16.62

1.85 16.62

1.85 16.62

1.85 16.62

V5

2.27 20.53

2.26 21.18

2.26 20.85

2.26 21.18

2.26 21.18

V6

2.82 27.04

2.81 27.04

2.81 27.70

2.81 27.70

2.80 27.70

V7

3.13 31.28

3.13 30.95

3.13 31.93

3.12 32.91

3.12 31.61

V8

3.58 37.15

3.58 37.15

3.57 37.80

3.56 38.45

3.55 39.10

VI. Pengolahan Data

Mencari tegangan rata-rata dan arus rata-rata tiap percobaan dengan menggunakan

rumus ∑

dan

∑

, serta mencari tegangan rata-rata dan arus

rata-rata dari rata-rata tiap percobaan menggunakan rumus ∑

dan

∑

percobaan

v1 0,41 3,324

v2 0,92 7,82

v3 1,37 12,06

v4 1,85 16,62

v5 2,26 20,984

v6 2,81 27,436

v7 3,13 31,736

v8 3,57 29,652

Rata-rata

percobaan

2.04

18,704

Selanjutnya, menghitung hambatan dengan menggunakan rumus

Dengan menggunakan metode least square, kita dapat menentukan persamaan

garis hubungan antara V dan I. Hubungan ini disebut juga dngan hambatan

semikonduktor

2 XiYi

No xi yi xi2 yi

2 xiyi

1 0,43 3,58 0,1849 12,8164 1,5394

2 0,93 8,15 0,8649 66,4225 7,5795

3 1,35 12,124 1,8225 146,9914 16,3674

4 1,832 16,684 3,356224 278,3559 30,56509

5 2,17 20,332 4,7089 413,3902 44,12044

6 2,772 27,11 7,683984 734,9521 75,14892

7 3,042 30,432 9,253764 926,1066 92,57414

8 2,95 29,652 8,7025 879,2411 87,4734

∑ 15,476 148,064 36,57767 3458,276 355,3683

Dimana y merupakan fungsi dari V, b merupakan fungsi dari R, x merupakan fungsi

dari I, dan a merupakan Konstanta.

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∑

∑ ∑ ∑

∑ ∑

Persamaan hambatan semikonduktor diperoleh

Menghitung kesalahan relatif

∑

∑

∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑

√

∑ ∑

√

Grafik Hubungan antara V dan I

VII. Analisis

1. Analisis Percobaan

Praktikan melakukan Percobaan ini dengan tujuan memelajari hubungan

antara tegangan listrik(V) dengan arus listrik (I) pada suatu “semikonduktor”.

Praktikan mengaktifkan webcam dan menyalakan tegangan lalu mengukur beda

potensial dan arus yang terlihat pada hambatan Setelah mendapatkan semua data

tersebut, praktikan mencari berapa nilai dari hambatan yang digunakan pada

percobaan tersebut

II. Analisis Hasil

Dari data pengamatan yang didapatkan, praktikan bisa menghitung besar

hambatan semikonduktor dengan cara memasukkan data-data tersebut ke dalam

persamaan hukum ohm. Hukum ohm menyatakan bahwa “Kuat arus yang mengalir

melalui penghantar sebanding dengan beda potensial pada kedua ujung

penghantar”.

Namun hasil yang diperoleh pada saat pengolahan data kurang maksimal

karena jumah angka yang digunakan hanya sampai 6 angka dibelakang koma

sehingga hasil yang didapatkan kurang akurat. Kesalahan relatif dari perhitungan

data adalah 52,75% hal ini menunjukan pengolahan data banyak terjadi kesalan.

Pada perhitungan nilai hambatan semikonduktor dapat digunakan rumus pada

hukum ohm karena semikonduktor dapat bersifat baik sebagai isolator dan

konduktor dan itu semua bergantung pada suhu. Apabila sedang dalam kondisi

sebagai konduktor maka pada semikonduktor itu terdapat hambatan. Pengaruh

temperatur pada semikonduktor berpengaruh pada perhitungan konsentrasi dari

elektron bebas atau hole.

2. Analisis Grafik

Dari grafik diatas dapat dilihat hubungan antara beda potensial (V)dan arus (I).

Grafik tersebut menghasilkan persamaan garis yang merupakan kurva linier.

Semakin besar arus yang diberikan maka beda potensialnya pun makin besar. Hal

ini menyatakan bahwa arus berbanding lurus dengan beda potensial. Berdasarkan

grafik, kita dapat mengetahui nilai gradien dari kurva linier tersebut.

VIII. Kesimpulan

o Semikonduktor merupakan bahan yang dapat bersifat isolator maupun

konduktor tergantung pada suhu bahan. Sifat konduktor akan lebih tampak

pada suhu tinggi, sedangkan sifat isolator akan lebih tampak pada suhu rendah

o Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik karena nilai

konduktansinya yang dapat diubah dengan mencampurkan materi lain.

o Untuk mencari besar hambatan pada semikonduktor dapat digunakan hukum

ohm yaitu:

o Beda potensial (V) berbanding lurus dengan arus istrik (I). Semakin besar

beda potensial maka arus yang dihasilkan juga semakin besar.

IX. Referensi

o Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 9th Edition, Extended

Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2007

o www.slideshare.net/nelnelly/bahan-semikonduktor-24342541

o staff.uny.ac.id/system/files/pendidikan/..../Bahan%20Semikonduktor.pdf

o Tippler , Fisika Untuk sains dan Teknik