LAPORAN PRAKTIKUM r Lab LR03

LAPORAN PRAKTIKUM r-Lab

LR-03 “KARAKTERISTIK V I SEMIKONDUKTOR”

Nama : Alan Try Putra Samad NPM : 1206254403

Fakultas : Teknik Departemen : Teknik Kimia Nomor Praktikum : LR-03

Tanggal Praktikum : 27 September 2013

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD)

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. Landasan Teori

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara 10-3Ωm sampai dengan sekitar 103Ωm. Atom-atom 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, sedang untuk 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 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 lektron pada pita valensi yang energinya melebihi energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi

menjadielektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan ini disebut hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan elektron.

Dengan demikian jika digambarkan pita energinya. 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= AoT3∈-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 asliberkisar 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

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 :

σ = )

σ = )

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 ≈

σ = )

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 di sebelahnya.

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

V2

V3

V4

V I

0.40 3.26

0.40 2.93

0.40 2.93

0.40 2.93

0.40 2.93

V I

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

V I

1.36 10.75

1.36 10.75

1.36 11.08

1.36 10.75

1.36 11.08

V I

V5

V6

V7

V8

VI. Pengolahan Data

1.87 14.99

1.87 15.31

1.87 15.31

1.87 15.31

V I

2.25 18.90

2.25 18.90

2.25 18.90

2.24 19.22

2.24 19.22

V I

2.83 24.44

2.83 25.09

2.83 24.76

2.82 25.09

2.82 25.74

V I

3.16 28.35

3.16 28.02

3.15 28.67

3.14 29.00

3.14 29.00

V I

3.63 33.89

3.62 34.54

3.61 35.19

3.60 35.19

Dengan menggunakan rumus Vrata-rata = dan Irata-rata = maka,

Percobaan Vrata-rata (V) Irata-rata (A)

V1 0.400 2.996

V2 0.910 7.170

V3 1.360 10.882

V4 1.870 15.182

V5 2.246 19.028

V6 2.826 25.512

V7 3.150 28.608

V8 3.610 34.930

Selanjutnya, menghitung rata-rata V dan I dari setiap percobaan Vp = dan Ip =

Vp = 2.046 V dan Ip = 18.038 A

Dengan menggunakan metode least square, kita dapat menentukan persamaan garis hubungan antara V dan I. Rumus yang digunakan adalah

V = I x R

Nilai R merupakan perbandingan antara Vp dan Ip,

Dengan menggunakan metode least square, kita dapat menentukan persamaan garis hubungan antara V dan I. Hubungan ini disebut juga dngan hambatan semikonduktor

i Xi Yi Xi2 Yi2 XiYi 1 0.440 2.9960 0.1600 8.9760 1.1984 2 0.910 7.1700 0.8281 51.408 6.5247 3 1.360 10.882 1.8496 118.41 14.799 4 1.870 15.182 3.4969 230.49 28.390 5 2.246 19.028 5.0445 362.06 42.736 6 2.826 25.512 7.9862 650.86 72.096 7 3.150 28.608 9.9225 818.41 90.115 8 3.619 34.930 13.097 1220.1 126.41

∑ 16.381 144.308 42.3850 3460.7454 382.2736

V = R I

Dimana y merupakan fungsi dari V, b merupakan fungsi dari R, x merupakan fungsi dari I, dan a merupakan Konstanta.

) ₎

) ) _{) )}

) ₎

) ) _{) )}

Persamaan hambatan semikonduktor diperoleh

y =

Menghitung kesalahan relatif TK =

) ) ) )

)

) ) ) )

√ ₎

√ _{) )}

TK = =

VII. Analisis

1. Analisis Percobaan

Percobaan dilakukan dengan tujuan memelajari hubungan antara tegangan listrik (V) dengan arus listrik (I) pada suatu semikonduktor. Praktikan mengaktifkan webcam lalu mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan. Setelah mendapatkan semua data tersebut, praktikan mencari berapa nilai dari hambatan yang digunakan pada percobaan tersebut. Namun, pada saat percobaan video tidak bisa diaktifkan sehingga praktikan tidak dapat mengontrol besarnya beda potensial yang akan terukur.

2. 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”.

V = I R

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000

0 8

Hubungan V dan I

Y-Values Linear (Y-Values)

Hasil yang diperoleh y = dapat digunakan untuk menghitung nilai hambatan konduktor pada alat yang digunakan. 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 3,4% hal ini menunjukan pengolahan data mendekati sempurna (0%).

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.

3. 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. Disebutkan bahwa nilai gradien adalah 9,8. Nilai gradien disini menunjukkan besar hambatan semikonduktor yang kita cari.

VIII. Kesimpulan

- 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

- Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik karena nilai konduktansinya yang dapat diubah dengan mencampurkan materi lain.

- Untuk mencari besar hambatan pada semikonduktor dapat digunakan hukum ohm yaitu:

- Beda potensial (V) berbanding lurus dengan arus istrik (I). Semakin besar beda potensial maka arus yang dihasilkan juga semakin besar.

IX. Referensi

 Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 9th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2007

 www.slideshare.net/nelnelly/bahan_-semikonduktor_-24342541

Dengan menggunakan rumus Vrata-rata = dan Irata-rata = maka, Percobaan Vrata-rata (V) Irata-rata (A)

V1 0.400 2.996

V2 0.910 7.170

V3 1.360 10.882

V4 1.870 15.182

V5 2.246 19.028

V6 2.826 25.512

V7 3.150 28.608

V8 3.610 34.930

Selanjutnya, menghitung rata-rata V dan I dari setiap percobaan Vp = dan Ip =

Vp = 2.046 V dan Ip = 18.038 A

Dengan menggunakan metode least square, kita dapat menentukan persamaan garis hubungan antara V dan I. Rumus yang digunakan adalah

V = I x R

Nilai R merupakan perbandingan antara Vp dan Ip,

Dengan menggunakan metode least square, kita dapat menentukan persamaan garis hubungan antara V dan I. Hubungan ini disebut juga dngan hambatan semikonduktor

i Xi Yi Xi2 Yi2 XiYi

1 0.440 2.9960 0.1600 8.9760 1.1984

2 0.910 7.1700 0.8281 51.408 6.5247

3 1.360 10.882 1.8496 118.41 14.799

4 1.870 15.182 3.4969 230.49 28.390

5 2.246 19.028 5.0445 362.06 42.736

6 2.826 25.512 7.9862 650.86 72.096

7 3.150 28.608 9.9225 818.41 90.115

8 3.619 34.930 13.097 1220.1 126.41

∑ 16.381 144.308 42.3850 3460.7454 382.2736

V = R I

Dimana y merupakan fungsi dari V, b merupakan fungsi dari R, x merupakan fungsi dari I, dan a merupakan Konstanta.

) ₎

) ) _{) )}

) ₎

) ) _{) )}

Persamaan hambatan semikonduktor diperoleh

y =

Menghitung kesalahan relatif TK =

) ) ) )

)

) ) ) )

√ ₎

√ _{) )}

TK = =

VII. Analisis

1. Analisis Percobaan

Percobaan dilakukan dengan tujuan memelajari hubungan antara tegangan listrik (V) dengan arus listrik (I) pada suatu semikonduktor. Praktikan mengaktifkan webcam lalu mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan. Setelah mendapatkan semua data tersebut, praktikan mencari berapa nilai dari hambatan yang digunakan pada percobaan tersebut. Namun, pada saat percobaan video tidak bisa diaktifkan sehingga praktikan tidak dapat mengontrol besarnya beda potensial yang akan terukur.

2. 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”.

V = I R

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000

0 8

Hubungan V dan I

Y-Values

Hasil yang diperoleh y = dapat digunakan untuk menghitung nilai hambatan konduktor pada alat yang digunakan. 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 3,4% hal ini menunjukan pengolahan data mendekati sempurna (0%).

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.

3. 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. Disebutkan bahwa nilai gradien adalah 9,8. Nilai gradien disini menunjukkan besar hambatan semikonduktor yang kita cari.

VIII. Kesimpulan

- 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

- Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik karena nilai konduktansinya yang dapat diubah dengan mencampurkan materi lain.

- Untuk mencari besar hambatan pada semikonduktor dapat digunakan hukum ohm yaitu:

- Beda potensial (V) berbanding lurus dengan arus istrik (I). Semakin besar beda potensial maka arus yang dihasilkan juga semakin besar.

IX. Referensi

 Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 9th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2007

 www.slideshare.net/nelnelly/bahan_-semikonduktor_-24342541