BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.1 Perhitungan nilai energy gap
Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan energy
gap material semikonduktor. Transisi
elektronik yang terjadi akibat foton bergantung
pada energy gap [23]. Besarnya energy gap ini
berpengaruh pada proses absorpsi dan
transmisi foton. Ketika material semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektron-hole.[23]
Energy gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi [23]. Elektron pada pita valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal yang berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi energi foton[24], sehingga elektron lebih banyak berada pada pita konduksi, sebaliknya pada pita valensi terjadi hole.
Elektron yang tereksitasi saat dikenai energi foton yang dibawa oleh cahaya, membuat kondisi pita konduksi lebih bermuatan negatif, sebaliknya pita valensi lebih bermuatan positif
karena kekurangan elektron. Perbedaan
pembawa muatan dari dua kondisi potensial yang akan menghasilkan terjadinya arus pada rangkaian luar yang dihubungkan dengan film BST [24].
Nilai reflektansi minimum yang setara dengan nilai absorbansi maksimum, dapat digunakan untuk menghitung energy gap dari sebuah semikonduktor, karena pada rentang panjang gelombang ini merupakan nilai yang maksimal dalam penyerapan energi foton oleh elektron untuk melewati energy gap [25]. Berdasarkan dengan data spektrum reflektansi pada Gambar 28, reflektansi minimum (absorbansi maksimum) terjadi pada panjang gelombang pendek. Berdasarkan spektrum reflektansi, didapat nilai energy gap dari masing-masing substrat BST dengan variasi suhu 800oC, 850oC dan 900oC menggunakan metode Tauc [25] berturut-turut yaitu 3,48 eV, 2,42 eV dan 3,4 eV. Hasil ini sesuai dengan literatur yang memperlihatkan nilai energy gap
semikonduktor yaitu berkisar 2,4-4 eV [26].
Gambar 29 Hubungan [ln( )]2 dan
Gambar 30 Hubungan [ln( )]2 dan energy gap pada suhu 850oC
Gambar 31 Hubungan [ln( )]2 dan
energy gap pada suhu 900oC
Gambar 32 Hubungan energy gap dan suhu
pada film BST
4.2 Karakterisasi Arus Tegangan
Karakterisasi tegangan dilakukan untuk melihat sifat dominan dari film BST, apakah
bersifat dioda, fotodioda, resistor atau
fotoresistor [26].Pengukuran kurva arus-tegangan (I-V) menggunakan alat I-V meter. Pengukuran tersebut dilakukan dengan dua perlakuan yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang dengan intensitas cahaya 405 lux. Tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variabel bebas. Pada perlakuan yang dilakukan, tegangan yang diberikan dari -10 V sampai -10 V.
Prinsip kerja I-V meter yaitu
menghasilkan arus yang terjadi karena saat film BSTmemiliki dua muatan yaitu positif dan
negatif yang diberikan tegangan
sehinggaelektron dan hole akan berekombinasi dan pergerakan elektron akan menghasilkan arus [26], dengan banyaknya elektron bebas
pada film BST maka menyebabkan film BST menjadi lebih konduktif akibat pemberian cahaya [27]. Terjadinya sifat konduktif pada film BST karena adanya energi foton yang
diserap oleh elektron sehingga mudah
menyebabkan elektron menjadi lebih banyak muncul [27] dari karakteristikI-V yang dilakukan maka dapat diketahui bahwa film BST yang dibuat mempunyai sifat sebagai dioda [27], selain itu dengan adanya perbedaan kurva ketika diberikan cahaya dan tanpa cahaya, maka film BST yang dibuat juga mempunyai sifat sebagai fotodioda[27]. Hal ini terlihat pada Gambar 33, bahwa terdapat pergeseran kurva terang dan gelap, hal ini berarti BST sensitif terhadap cahaya yang datang.
Pada penelitian lebih lanjut, dilakukan
karakterisasi I-V dengan memvariasikan
spektrum sumber cahaya dengan menggunakan
filter warna hijau, kuning, dan merah hal ini bertujuan untuk mengetahui kepekaan film BST pada cahaya tampak yang datang. Pada Gambar 34 dapat disimpulkan bahwa pada substrat A spektrum merah lebih sensitif dari spektrum lainnya karena lebih mendekati pada kondisi terang dan spektrum hijau lebih lemah, sedangkan substrat B pada Gambar 35 spektrum yang lebih sentisitif yaitu spektrum hijau dan spektrum kuning karena spektrum tersebut lebih peka terhadap intensitas cahaya yang datang. Pada Gambar 36 yaitu substrat C, spektrum hijau lebih sensitif dari spektrum lainnya karena lebih mendekati pada kondisi terang dan spektrum kuning lebih lemah, kepekaan spektrum cahaya kemungkinan disebabkan oleh rekombinasi elektron dan hole
yang terbentuk lebih banyak ketika film diberikan intensitas cahaya[28].
Gambar 33 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) BST pada kondisi terang dan gelap
Gambar 34 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A
Gambar 35 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B
Gambar 36 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C
4.3 Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Pengukuran konduktivitas listrik film BST
dilakukan dengan mengukur nilai
konduktansinya menggunakan alat
LCRmetermodel HIOKI 3522-50. Uji
konduktivitas pada penelitian ini bertujuan untuk menentukan apakah bahan film BST
yang dibuat termasuk konduktor,
semikonduktor atau isolator. Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm [28]. Pengaruh suhu annealing terhadap konduktivitas film BST dapat dilihat pada Tabel 5.
Pada Tabel 5, diketahui bahwa konduktivitas maksimum film Ba0,4Sr0,6Ti03 terjadi pada suhu 800oC dan minimum pada suhu 900oC. Secara
umum suhu annealing menurunkan
konduktivitas listrik film BST, penurunan ini disebabkan terjadinya peningkatan evaporasi
lapisan film BST [28] akibatnya dapat menurunkan jumlah konsentrasi pembawa.
Berdasarkan Tabel 5, data nilai film
Ba0,4Sr0,6Ti03 diperoleh nilai konduktivitas berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm, hal ini sesuai dengan literatur [29] sehingga film Ba0,4Sr0,6Ti03 merupakan bahan material semikonduktor karena nilai yang didapat
berkisar dalam konduktivitas listrik
semikonduktor.
Tiga mekanisme transport yang dapat
terjadi pada batas butir ialah: emisi termionik, emisi medan termionik, dan emisi medan. Emisi termionik merupakan mekanisme hamburan pada batas butir untuk film semikonduktor polikristalin[30]. Berdasarkan
statistic Maxwell Boltzmann, konduksi yang dibatasi oleh emisi termionik atas penghalang
potensial Schottky dinyatakan oleh (Seung et al.,2007)
= L.e2.N.(2πm*kT)-1/2
exp(-E/kT) (2.27)
Keterangan: = konduktivitas listrik (S/m), E adalah energi (J), L adalah ukuran butir (m) dan N adalah konsentrasi pembawa muatan (m-3). dengan demikian ukuran butir L sangat
berpengaruh terhadap konduktivitas material atau resistivitasnya.
Pada Tabel 6, dapat dibandingkan berdasarkan pada saat suhu annealing 850oC dan waktu
annealing 15 jam bahwa film Ba0,5Sr0,5Ti03
memiliki konduktivitas yang lebih besar dibandingkan film Ba0,4Sr0,6Ti03
Tabel 5. Nilai konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03
berdasarkan perbedaan suhu annealing
Suhu annealing film BST Konduktivitas listrik σ (S/m)
Suhu 800oC 3,6 x 10-5
Suhu 850oC 3,77 x 10-4
Suhu 900oC 5,025 x 10-4
Gambar 37 Hubungan konduktivitas listrik dan suhu film Ba0,4Sr0,6Ti03
Tabel 6. Perbandingan karakterisasi
konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan Ba0,5Sr0,5Ti03
4.4 Karakterisasi Konstanta Dielektrik
Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapasitansi adalah coulomb per volt, yang disebut farad (F).
Ketika ruang di antara dua konduktor pada kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik
sebanding dengan faktor ĸ yang merupakan
karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik.Karakterisasi konstanta dielektrik didapat menggunakan rangkaian listrik seperti pada Gambar 26 dengan frekuensi 20 kHz dan hambatan 10 kΩ dengan variasi frekuensi input
pada range10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 100 kHz,
250 kHz, 500 kHz, 1 MHz sehingga hasil
outputnya dapat dilihat pada layar osiloskop, sehingga dari grafik osiloskop pada gambar 39, 40 dan 41 tersebut dapat dihitung time constant
( ) serta kapasitansi dan konstanta
dielektriknya [17]. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
(h)
Gambar 38 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 800oC
Keterangan :
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 20 kHz
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 100 kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 500 kHz
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 1MHz (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
(h)
Gambar 39 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 850oC
Keterangan :
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 20 kHz
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 100kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 500 kHz
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 1 MHz. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
(h)
Gambar 40 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 900oC
Keterangan :
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 20 kHz
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 100 kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 500 kHz
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi frekuensi 1MHz
Berdasarkan Gambar 38, 39 dan 40, dapat dianalisa bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut. Penyimpanan muatan ini dapat mengindikasikan bahwa film Ba0,4Sr0,6Ti03 bersifat kapasitor. Pada variasi suhu konstanta dielektrik terlihat semakin kecil akibat bertambahnya suhu annealing, hal ini dilihat berdasarkan Tabel 7, pada suhu 900oC
nilai kontanta dielektrik paling rendah
dibandingkan dengan suhu lainnya, turunnya nilai konstanta dielektrik akibat ketebalan film BST semakin kecil karena terjadi penguapan pada film BST akibat kenaikan suhu
annealing[30].
Tabel 7. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik film Ba0,4Sr0,6TiO3
Gambar 41 Hubungan konstanta dielektrik dengan suhu Penelitian lebih lanjut yaitu variasi frekuensi pada range 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 250 kHz pada masing-masing suhu 800oC, 850oC, 900oC, dapat dilihat pada Tabel
7 dapat disimpulkan bahwa konstanta
dielektrik semakin kecil akibat bertambahnya
frekuensi dan faktor-faktor yang
mempengaruhi hasil ini yaitu ketebalan film serta ketelitian dalam membaca gambar pada osikoskop. Pada frekuensi 500 kHz dan 1
MHz, frekuensi sumber lebih cepat
dibandingkan frekuensi pengisian film BST mengakibatkan polarisasi listrik yang terbentuk
lebih cepat pada saat pengisian dan
pengosongan muatan pada film BST. Film Ba0,4Sr0,6Ti03 pada suhu annealing 8500C dan
waktu annealing 15 jam memiliki nilai
konstanta dielektrik yang lebih besar daripada film Ba0,5Sr0,5Ti03 yaitu sebesar 24 kHz pada frekuensi 10 kHz hal ini sesuai dengan persamaan 2.29 yaitu
C = ĸ Co
Keterangan : C yaitu diantara plat ada bahan (F), ĸ yaitu konstanta dielektrik, C0 yaitu diantara plat vakum (F).
Persambungan p-n yang terbentuk pada film BST dan substrat, film BST yang bertipe –n memiliki muatan negatif bebas serta ion positif statik sedangkan substrat memiliki muatan positif bebas dan ion negatif statik, tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya terjadi difusi muatan bebas yaitu elektron menuju type–p dan hole menuju type–n[32].
Peristiwa difusi tersebut disertai terjadinya rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan
hole lalu hilang, dengan rekombinasi ini
disekitar daerah sambungan tidak ada lagi muatan-muatan bebas dan yang tertinggal hanya ion statik. Ion-ion statitik yaitu ion-ion dari atom donor dan akseptor. Daerah sambungan seperti ini disebut dengan lapisan deplesi. Karena daerah deplesi mengandung muatan positif statik pada salah satu sisi dan muatan negatif pada sisi lain, maka timbul medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan ini dapat dipandang sebagai keping sejajar
[33]. Dengan demikian daerah deplesi
memiliki nilai kapasitansi.
Hole dalam tipe–p lebih tinggi
konsentrasinya daripada hole dalam tipe–n
maka mereka berdifusi dari daerah tipe–p ke tipe–n,akantetapi proses ini tidak terjadi terus-menerus jika hole meninggalkan daerah type-p
dan jatuh ke dalam daerah type-n[34]
akibatnya sebuah acceptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah type-p sehingga membentuk kumpulan muatan negatif, hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan positif pada daerah type-n sehingga membangkitkan medan listrik dan membentuk kumpulan muatan positif. Medan listrik inimenghambat hole untuk berdifusi dari daerahtype-p ke type-n dan hal sama terjadi pada elektonyang terhambat berdifusi dari
type-n ke type-p [35].
Tabel 8.Perbandingan film BST ditinjau dari sifat listrik, sifat optik pada suhu annealing
8500C dan waktu annealing 15 jam yang merupakan nilai terbaik.
Keterangan (-) : Tidak ada data. (*) : Tidak ada data.