Karakteristik LED

(1)

MODUL 03

KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER

Dian Ahmad Hapidin, Retno Miranti, Mulyanto, Ryan Sentosa, Freddy Giovanni Setiawan 10210104, 10210055, 10210070, 10210073, 10210059

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail : dianahmadhapidin@gmail.com

Asisten : Adisetyo Panduwirawan (10209062) Tanggal Praktikum : 11-10-2012

Abstrak

LED (Light Emiting Diode) adalah suatu komponen elektronika yang tersusun dari gabungan bahan semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya. LED memiliki karakteristik yang dapat diamati oleh I-V meter. Karakteristik LED yang dapat diamati dengan I-V meter diantaranya perubahan arus terhadap tegangan, energi Band Gap, tegangan Threshold, maupun panjang gelombang cahaya yang dipancarkan. Alat yag digunakan untuk karakterisasi LED yaitu I-V meter ELKAHFI 100. I-V meter ELKAHFI 100 dapat menentukan hubungan karakteristik antara arus dan tegangan dari suatu LED. Pada hasil data yang telah diolahdengan membadingkan hasil perhitungan dengan data referensi yang ada, maka dapat dibandingkan jenis wana dan energi band gap LED hasil pengamatan dengan hasil perhitungan. Karakteristik dari LED dapat diketahui melalui pengukuran karakteristik hubungan arus dan tegangan LED menggunakan I-V meter.

Kata Kunci : Band gap, IV meter, LED, Panjar Maju, Tegangan threshold

I. Pendahuluan

LED atau singkatan dari Light Emitting Diode adalah salah satu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semi konduktor jenis dioda yang mempu mengeluarkan cahaya. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi pada LED elektron menerjang sambungan P-N (Positif-Negatif). Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. LED memiliki bentuk fisik seperti gambar berikut,

Gambar 1. Light Emitting Diode (LED)

LED menghasilkan cahaya monokromatik . Prinsip kerjanya ketika LED diberi tegangan panjar maju maka LED akan mengalami medan elekromagnetik sehingga elektron akan mengalami rekombinasi dengan hole, rekombinasi ini melepaskan energi berupa foton, foton ini lah yang menyebabkan cahaya terpancar dari LED.

(2)

Pada saat bahan semikonduktor jenis p dan n digabungkan maka elektron bebas dari bahan jenis n akan berdifusi menuju bahan pdan berekombinasi dengan hole pada bahan jenis p. Sebaliknya juga hole pada bahan p akan berdifusi ke bahan n dan berekomendasi dengan elektron. Proses rekombinasi ini akan saling meniadakan muatan, akibatnya akan ada daerah disekitar sambungan p-n yang muatannnyanetral, daerah ini yang disebut daerah deplesi.[1]

Cahaya yang dipancarkan oleh dioda ini adalah hasil dari pelepasan energi oleh elektron saat berpindah dari pita konduksi ke pita valensi. Pada dioda/LED, energi yang dipancarkan oleh elektron ini setara dengan perbedaan energi antara pita valensi dan pita konduksi, yaitu besar energi gap yang ada pada sambungan p-n. Sehingga energi gap yang ada pada daerah pengosongan sama dengan energi yang dipancarkan oleh elektron dalam bentuk cahaya saat berpindah dari pita konduksi ke pita valensi.

LED memiliki kurva karakteristik sebagai berikut,

Gambar 2. Kurva Karakteristik LED [2]

Dari kurva karakteristik pada gambar [2], persamaan LED yang menyatakan hubungan tegangan dengan arus adalah

(1)

Keterangan

Eg = Energi Band Gap (eV)

k = Konstanta Boltzman =1.38 x 10-23 kgm2s-2K-1 q = Muatan Elektron = 1.6x10-19 Coulumb T = Suhu ruangan (Kelvin)

I-V Meter adalah alat yang dapat mengukur kuantitas atau intensitas listrik, dimana I-V meter dapat membangkitkan tegangan yang sebanding dengan rasio arus masukkan dan referensi. Dengan menggunakan I-V meter ini kita dapat mengukur kondisi arus dalam dioda terhadap tegangan yang diberikan, dengan demikian kita dapat melihat karakteristik dioda yang dipakai.

Dengan menggunanakn persamaan (1), kitadapat menentukan persamaan regresi yang digunakan yaitu,

Y = Aexp(-b+cx-1) (2) Dengan,

(4) maka nilai energi band gap (Eg) dapat diperoleh dari persamaan (3) dan (4)

Eg

=

(5) Eg = (6)

(3)

h = 6,626 x 10-34 J.s

c = 299792458 m/s

Kemudian untuk mencari daya yang diperlukan LED kita bisa hitung dengan persamaan

P = V.I (7)

Keterangan P=Daya (watt) V=Tegangan (V) I=Arus(A)

II. Metode Percobaan

Pada percobaan modul ini akan diukur besar arus yang mengalir dalam LED terhadap tegangan yang dimasukkan melalui I-V meter. I-V meter yang digunakan dalam modul ini adalah I-V Meter ELKAHFI 100 Langkah pertama yaitu mempersiapkan perangkat I-V meter, mulai dari pemasangan kabel-kabel jumper sampai koneksi DB-9 ke komputer.

Setelah perangkat I-V meter dipasang dengan benar, jumper voltage output dihubungkan dengan kutub positif LED dan jumper current input dengan kutub negatif LED. Kemudian dibuka software ELKAHFI 100 dan run untuk memulai pengambilan data. Software ELKAHFI 100 ini akan mengambil data arus dalam dioda terhadap tegangan.

Kemudian setelah data diperoleh, data disimpan dalam file .txt atau .xls , kemudian dilakukan lagi pengambilan data untuk LED dengan warna pendar yang berbeda-beda.

Hipotesis penulis adalah pada suatu nilai tegangan tertentu, arus dari LED akan naik secara drastis.

III. Data dan Pengolahan

Dari data pengukuran arus dan tegangan dengan menggunakan I-V Meter Elkahfi 100 dapat dibuat kurva karakteristik LED sebagai berikut,

Gambar 3. Kurva Karakteristik LED 1 (Hijau)

Gambar 4. Kurva Karakteristik LED 2 (Kuning)

(4)

Gambar 6. Kurva Karakteristik LED 4 (Putih-Pendar Merah)

Gambar 7. Kurva Karakteristik LED 5 (Putih-Pendar Putih)

Gambar 8. Kurva Karakteristik LED 6 (Putih-Pendar Biru)

Tabel 1. Koefisien-koefisien Regresi

Tabel 2. Nilai Lower dan Upper

Berdasarkan pada persamaan (6) kita dapat menentukan panjang gelombang cahaya yang dihasilkan LED secara percobaan.

LED Warna LED a b c R 2 1 hijau 0.3877 31.28 14.1 0.9988 2 kuning 0.9755 46.93 22.03 0.9986 3 merah 0.5036 35.74 17.27 0.9905 4 putih-pendar merah 4,4x10-4 22.35 13.56 0.9956 5 putih-pendar putih 0.6627 28.01 8.342 0.9726 6 putih-pendar biru 0.877 34.64 9.911 0.9975 LED a b c

low up low up low up

hijau -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞ kuning -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞ merah -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞ putih-Pendar merah -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞ putih-putih -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞ putih-biru -1000 1000 -∞ ∞ -∞ ∞

(5)

Tabel 3. Perbandingan panjang gelombang percobaan dengan referensi

Dari data tegangan dan arus, kita dapat membuat kurva Daya terhadap arus.

Gambar 9. Kurva Daya terhadap Arus LED 1

Persamaan regresi kurva gambar 9 adalah P=1.933 I – (4.47x10-6)

LED Warna Λref(nm) Λperc(nm)

1 hijau 500-570 558 2 kuning 570-590 582 3 merah 610-760 599 4 putih-Pendar merah 610-760 752 5 putih-putih 450 370 6 putih-biru 450-500 354

(6)

Berdasarkan persamaan (7), Vth adalah gradien dari persamaan regresi kurva daya terhadap arus.

Tabel 4. Perbandingan Vth percobaan dengan pengamatan LED Warna Vth Grafik Vth Pengamatan 1 hijau 1.933 1.74 2 kuning 1.904 1.69 3 merah 1.801 1.54 4 putih-Pendar merah 1.866 1.65 5 putih-putih 2.809 2.4 6 putih-biru 2.676 2.54

Tabel 5. Perbandingan Eg percobaan dengan referensi No LED Eg(eV) Perhitungan Eg(eV) referensi J eV 1 hijau 3.56E-19 2.226 2.26 2 kuning 3.41E-19 2.131 2.11 3 merah 3.32E-19 2.07 1.91 4 putih-Pendar merah 2.64E-19 1.65 1.91

(7)

5 putih-putih 5.37E-19 3.356 2.82 6 putih-biru 5.61E-19 3.50 3.30 IV. Pembahasan

Pada gambar 9 sampai 14 disajikan grafik daya terhadap arus. Grafik ini kamudian diregresikan secara linear dan diperoleh persamaannya. Berdasarkan persamaan (7) dapat disimpulkan bahwa Vth adalah gradien dari grafik P terhadap I. Dengan demikian dari gambar 9-14 diperoleh nilai Vth untuk masing-masing LED yaitu gradien regresinya.

Pada tabel 3. Diperoleh nilai panjang gelombang dari percobaan. Nilai panjang gelombang untuk spektrum warna yang dipancarkan LED ada yang berbeda dengan referensi. Misalnya pada LED 3, panjang gelombang hasil percobaan tidak sesuai dengan referensi. Hal ini dikarenakan LED yang digunakan memiliki tudung(pembungkus badan LED) yang tidak transparan. Misalnya untuk LED 3 tudungnya berwarna merah sehingga pengamat tidak mengetahui cahaya merah yang dipancarkan semikonduktornya berwarna merah atau bukan. Kemudian panjang gelombang pada LED 5 (berwarna putih) dan LED 6 (biru) juga tidak sesuai dengan referensi. Hal tersebut terjadi karena spektrum warna cahaya tampak spektrum yang kontinu maka sulit untuk menentukan cahaya dari nilai panjang gelombang yang diperoleh. Misalnya untuk LED 6 yang berpendar biru memiliki panjang gelombang lebih kecil dari referensinya dan masuk ke dalam jangkauan panjang gelombang warna nila. Spektrum sebenarnya yang dihasilkan LED 6 mungkin berada di sekitar panjang gelombang warna nila, tetapi karena keterbatasan mata pengamat, pengamat hanya bisa melihatnya dalam warna biru.

Pada tabel 4. di peroleh fakta bahwa besarnya tegangan thershold menentukan spektrum cahaya yang dipancarkan. Tegangan threshold adalah tegangan minimum yang diperlukan supaya LED dapat bekerja. Secara

fisis tegangan threshold menyatakan besarnya tegangan yang diperlukan untuk membebaskan elektron melewati band gap. Secara singkat jika tegangan threshold semakin tinggi maka energi band gap dari LED tersebut juga tinggi. Sementara itu panjang gelombang yang dipancarkan berbanding terbalik dengan energi band gap. Sehingga diperoleh hubungan antara tegangan threshold dengan panjang gelombang yaitu berbading terbalik.

Pada tabel 4 nilai Vthdari hasil perhitungan grafik dan Vth dari pengamatan di layar LCD I-MeterELKAHFI 100 menunjukkan nilai berbeda. Hal ini karena dalam alat ELKHFI 100 memiliki delay untuk menampilkan data secara instan di layar LCD. Delay tesebut menyebabkan nilai tegangan yang ditampilkan pada LCD lebih lambat dari pengambilan data oleh PC , sehingga kita akan mendapati nilai Vth hasil dari pengamatan di LCD akan lebih rendah daripada hasil perhitungan dari data yang direkam oleh PC. Selain itu nilai tegangan yang ditampilkan di LCD memiliki kelipatan 0.4 Volt, sehingga sulit untuk melihat tegangan pasti nya. Nilai Eg yang diperoleh dari percobaan mendekati referensi, perbedaan yang muncul disebabkan oleh error dari hasil regresi.

Asumsi yang diabaikan dalam percobaan kali ini adalah temperatur. Temperatur sangat mempengaruhi karakteristik dari LED. Hal ini karena agitasi terhadap suhu dapat mempengaruhi aktifitas elektron yang ada dalam bahan semikonduktornya. Suhu akan mempengaruhi kelengkungan dari kurva karakteristik LED.Jika suhu dinaikkan, maka tegangan threshold berkurang tetapi arus penjenuhan bertambah dan kelengkungan kurva karakteristik pun bertambah. Selain itu kenaikan suhu menaikkan juga esitasi termik,sehingga rapat elektron intrinsik juga bertambah. Untuk bahan semikonduktor Germanium, setiap perubahan 100 C menyebabkan perubahan relatif rapat arus penjenuhan 100%, atau rapat arus penjenuhan menjadi dua kali lipat, sedangkan untuk bahan

(8)

silikon rapat arus penjenuhan menjadi dua kali lipat untuk kenaikan suhu sebesar 60 C.[1] LED putih dapat dibuat dengan 2 cara yaitu dengan menggabungkan warna merah, biru, dan hijau (multi-color LED) dan menggunakan senyawa fosfor seperti tertulis pada tabel 9 di lampiran. Cara pertama memerlukan suatu perangkat elektronik untuk mengatur proses pencampuran dan difusi dari berbagai warna. Metode ini juga dapat digunakan untuk mendapatkan warna-warna lain. Selain itu, metode ini memiliki efisiensi kuantum yang lebih baik dalam menghasilkan cahaya putih. Cara kedua, adalah dengan melapisi LED dengan fosfor (biasnya LED dengan cahaya biru). Prinsipnya adalah memperpanjang panjang gelombang cahaya biru. Jenis atau warna fosfor yang digunakan bergantung pada LED yang digunakan dan penggunaan bebrapa lapis fosfor yang berbeda warna dapat

memperluas spectrum sehingga

mempermudah mendapatkan cahaya putih. Yang pada akhirnya meningkatkan nilai CRI suatu LED secara efektif.

LED infra merah merupakan LED yang memancarkan sperktum cahaya infra merah. LED infrared biasanya berbahan dasar indirect band gap material sehingga tidak menghasilkan cahya tampak. Disebut indirect karena photon tidak dapat diemisikan. Hal ini disebabkan oleh elektron harus melewati keadaan intermediet dan mentransfer momentum kepada suatu struktur kristal. Untuk mendapatkan spektrum cahaya infra merah bahan penyusun yang digunakan untuk membuat LED yaitu Galium Arsenide (GaAs) atau aluminium Galium Arsenide (AlGaAs). Karakteristik dari LED infra merah ini yaitu life time yang lama, memerlukan daya yang kecil, tidak mudah over heat, dan bisa digunakan dalam jarak yang cukup jauh karena pemancarannya yang menyempit.

Penggunaan dari LED infra merah ini biasa dipakai sebagai remote control jarak jauh. V. Simpulan

• Sifat dan Karakteristik dari LED dapat diidentifikasi menggunakan I-V meter dengan melihat arus dan tegangan LED . • Setiap LED memiliki tegangan threshold yang

berbanding terbalik dengan panjang gelombang yang dihasilkan LED

 Nilai tegangan threshold akan bergantung pada energi band gap LED nya.

VI.Pustaka

[1]Sutrisno. Elektronika Teori dan Penerapannya. Bandung: Penerbit ITB. 1986. H. 81-85

[2] Hartono, Sabda. Merancang Lampu LED. Available : http://www.gemar-

elektronika.com/merancang-lampu-led.html?showall=1, Accessed at : 13 Oktober 2012 , 07.15 WIB