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
- 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
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)
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
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
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
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:
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
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
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
- 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
