i
KARYA TULIS ILMIAH
PENGUKURAN KECEPATAN ALIR ELEKTRON DAN HOLE PADA
SEMIKONDUKTOR SILIKON TIPE-N DAN TIPE-P
DENGAN METODA EFEK HALL
OLEH
I GUSTI AGUNG PUTRA ADNYANA, S.Si.,M.Si.
NIP. 19701119 199702 1 001
JURUSAN FISIKA
FAKULTASMATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS UDAYANA
iii
RINGKASAN
Telah dilakukan pengukuran Kecepatan Alir Elektron dan Hole pada Semikonduktor Silikon Tipe-n dan Silikon Tipe-p dengan metoda Efek Hall, yang diawali dengan pembuatan kontak Ohmik dengan teknik evaporasi. Pengukuran kecepatan alir electron dan kecepatan alir Hole dilakukan pada suhu kamar, yaitu pada suhu sekitar 290C. Kuat Arus listrik divariasikan dari 0,5 mA sampai dengan 2 mA dengan medan magnet sebesar 1000 Gauss. Dari hasil perhitungan yang kecepatan alir electron rata-rata pada silikon tipe-n, berturut-turut adalah sebesar: 57,67 m/s, 116 m/s, 167,67 m/s dan 230,67 m/s. Sedangkan kecepatan alir hole rata-rata pada silikon tipe-p, berturut turut adalah 40,33 m/s, 82,33 m/s, 119 m/s dan 158 m/s.
iv
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widi Wasa Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat-Nya penulis telah berhasil melakukan penelitian yang berjudul “Pengukuran Kecepatan Alir Eletron dan Hole Pada Silikon Tipe-N Dan Tipe-P Dengan Metode Efek Hall”
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih pada semua pihak yang telah membantu penulis dalam penyusunan karya tulis ilmiah ini. Berkat dorongan moril dan materiil mereka pulalah karya tulis ilmiah ini dapat diselesaikan.
Diakhir kata, penulis menyadari bahwa karya tulis ini masih jauh dari kata sempurna, namun demikian penulis berharap semoga karya tulis ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan teknologi dan sains.
Denpasar, Mei 2016 Penulis.
v DAFTAR ISI Halaman HALAMAN SAMPUL i HALAMAN PENGESAHAN ii RINGKASAN iii PRAKATA iv DAFTAR ISI V DAFTAR GAMBAR Vi
DAFTAR TABEL Vii
BAB I. PENDAHULUAN 1
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Permasalahan 3
1.3.Tujuan Penulisan 3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1. Silikon 4
2.1.1. Silikon Tipe-N 5
2.1.2. Silikon Tipe-P 6
2.2. Gerakan Elektron Dan Hole Pada Semikonduktor 6
2.3. Konduktivitas Semikonduktor 10
2.4. Efek Hall
BAB III METODE PENELITIAN 15
3.1. Persiapan Sampel 15
3.1.1 Pemilihan Sampel dan Pembentukan Sampel 15
3.1.2 Pembuatan Masker 16
3.2 Pembuatan Kontak Elektroda 18
3.2.1 Proses Pencucian 18
3.2.2 Proses Pelapisan 19
3.2.3 Proses Pemanasan 21
3.3. Karakterisasi Kontak Eletroda 21
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 23
4.1. Hasil Pengukuran 23
4.2. Pembahasan 25
BAB V. KESIMPUAN DAN SARAN 29
5.1. Kesimpulan 29
5.2. Saran 29
DAFTAR PUSTAKA 30
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Gambar Ikatan Kovalen pada Silikon 4
Gambar 2.2. Atom Pencampur Valensi Lima dalam Kristal Silikon 5
Gambar 2.3 Atom Pencampur valensi Tiga dalam Kristal Silikon 6
Gambar 2.4. (a). Gerakan Elektron Bebas dalam medan listrik 9
Gambar 2.4 (b). Gerakan Hole Bebas dalam medan listrik 9
Gambar 2.5 Semikonduktor Silindris yang diberikan Medan Listrik 11
Gambar 2.6 (a) Efek Hall pada Semikonduktor Tipe-N 13
Gambar 2.6 (b) Efek Hall pada Semikonduktor Tipe-P 13
Gambar 2.7 Skema gaya-gaya yang terjadi pada Efek Hall 15
Gambar 3.1 Skema Susunan Alat Efek Hall 19
Gambar 3.2 Wafer Silikon 20
Gambar 3.3 Bentuk Sampel (ASTM F76-86, 1991) 20
Gambar 3.4 Tempat Sampel 21
Gambar 4.1.A Grafik Vd vs VH Sampel Si-P1 31
Gambar 4.1.B Grafik Vd vs VH Sampel Si-P2 31
Gambar 4.1.C Grafik Vd vs VH Sampel Si-P3 32
Gambar 4.2.A Grafik Vd vs VH Sampel Si-N1 32
Gambar 4.2.B Grafik Vd vs VH Sampel Si-N2 33
Gambar 4.2.C Grafik Vd vs VH Sampel Si-N3 33
Gambar 4.3. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir 35
untuk Silikon Tipe-N
Gambar 4.4. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir 35
untuk Silikon Tipe-P
Gambar 4.3. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir 36
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Tabel Spesifikasi Sampel 24
Tabel 4.2 Tabel Pengukuran Tegangan Hall Pada Sampel Si-P 25
Tabel 4.3 Tabel Pengukuran Tegangan Hall Pada Sampel Si-N 26
Tabel 4.4 Tabel Perhitungan Kecepatan Alir Untuk Silikon Tipe_P 28 Tabel 4.5 Tabel Perhitungan Kecepatan Alir Untuk Silikon Tipe_N 29 Tabel 4.6.Tabel Kecepatan Alir Rata-Rata untuk Silikon Tipe-N untuk masing-
masing kuat arus
33
Tabel 4.7.Tabel Kecepatan Alir Rata-Rata untuk Silikon Tipe-N untuk masing- masing kuat arus
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Elektron bebas dan hole pada bahan semikonduktor seperti pada Silikon, bergerak dengan kecepatan tertentu yang sangat bergantung pada suhunya. Kecepatan gerak Elektron bebas dan hole ini berbeda-beda antara elektron dan hole dengan elektron dan hole yang lainnya menurut sebaran kecepatan Maxwell-Boltzmann. Kecepatan rata-rata yang dapat dinyatakan sebagai berikut:
(1.1)
Dengan
Vr = kecepatan rata-rata (m/s)
T = Suhu Mutlak (Kelvin)
= massa efektif (kg)
K = konstanta Boltzmann (J/K)
Elektron dan hole sudah bergerak sudah bergerak tanpa kehadiran medan Listrik (E), namun gerakannya tidak teratur. Gerakan ini disebabkan oleh energi termal yang dimiliki oleh electron dan hole dalam semikonduktor. Karena gerakannya yang acak selanjutnya disebut dengan kecepatan acak
.
Gaya listrik yang bekerja pada electron bebas dan hole dalam
penghantar semikonduktor akan memberikan tambahan kecepatan
2
lain yang arahnya sama dengan arah gaya listrik. Dengan
tambahan kecepatan tersebut maka kecepatan yang dimiliki oleh
electron dan hole adalah resultan antara kecepatan acak dan
kecepatan akibat adanya gaya listrik yang selanjutnya akan searah
dengan gaya listrik, kecepatan ini selanjutnya disebut dengan
kecepatan alir
.
Ketersedian bahan Silikon di alam sangat berlimpah sehingga bahan semikonduktor ini banyak dimanfaatkan sebagai unsur bahan dasar untuk komponen aktif, yang banyak digunakan pada bidang elektronika, misalnya: untuk membuat transistor, diode, dan IC (Integralted Circuit). Hal ini menyebabkan bahan semikonduktor banyak diteliti diantaranya, penentuan jenis pembawa muatan pada semikonduktor, penentuan kosentrasi muatan bebas, massa efektif electron maupun massa efektif hole, tingkat energi Fermi, dan kecepatan alir pembawa muatan semikonduktor. Yang pengukurannya menggunakan metode yang rumit dengan peralatan canggih dan mahal yaitu Cyclotron Resonance.
Beranjak dari hal itu perlu diupayakan suatu metode pengukuran atau penentuan kecepatan alir pada bahan Silikon yang lebih mudah dan relatif lebih murah yaitu metode Efek Hall. Metode ini dapat menguntungkan dari segi biaya dan waktu karena merupakan eksperimen yang relatif sederhana. Metode ini dapat dilakukan dengan anggapan bahwa pembawa-pembawa muatan bebas dalam zat padat diasumsikan sebagai partikel gas yang gerakannya memenuhi sebaran kecepatan Maxwell-Boltzmann (Zambuto, M., 1989).
3 1.2. Rumusan Permasalahan
Berdasarkan latar belakang pada sub bab 1.1, permasalahan pada penelitian ini dapat diuraikan sebagai berikut:
1) Bagaimana cara menentukan kecepatan alir electron dan hole pada bahan semikonduktor dengan menggunakan metode Efek Hall?
2) Berapa besar kecepatan alir yang terukur pada silicon tipe-n? 3) Berapa besar kecepatan alir yang terukur pada silicon tipe-n?
1.3. Tujuan Penulisan
Penelitian ini bertujuan untuk dapat menghitung kecepatan alir elektron dan hole pada bahan semikonduktor tipe-n dan semikonduktor tipe-p dengan menggunakan metode efek hall pada suhu kamar.
4 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Silikon
Silikon adalah unsur kimia yang ditemukan oleh Jöns Jakob Berzelius, Silikon adalah suatu unsur kimia yang memiliki nomor atom 14 dan pada tabel periodik unsur-unsur memiliki lambang Si. Senyawa yang dibentuk bersifat paramagnetik. Silikon merupakan unsure metaloid tetravalensi, bersifat lebih tidak reaktif daripada karbon (unsur nonlogam yang tepat berada di atasnya padatabel periodik, tapi lebih reaktif daripada germanium,
Silikon adalah salah satu contoh bahan semikonduktor. bahan tersebut terdapat dalam kolom ke empat dari sistem periodik unsur-unsur kimia. Pada Silikon, lapisan terluar elektron-elektron yang sering juga disebut lapisan valensi, terdiri dari empat elektron yang memungkinkan suatu kristal murni untuk membentuk ikatan-ikatan kovalen yang kuat. Ikatan Kovalen pada Silikon dapat digambarkan seperti yang ditunjukkan Gambar 2.1. Gambar Ikatan Kovalen pada Silikon.
5
Pada silikon, hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh mengalirnya elektron karena panas. Apabila temperatur naik, maka akan terjadi random
thermis sehingga akan ada elektron yang terbebas dari ikatan atomnya
(elektron pada kulit terluarnya).
Menurut pembawa muatannya, silikon dapat dibedakan menjadi 2 (dua), yaitu Silikon Tipe-N dan Silikon Tipe-P. perbedaan jenis pembawa muatan ini, disebabkan oleh penambahan pencampur ke dalam Kristal. Penambahan atom pencampur dinamakan peresapan (doping). Pencampur yang ditambahkan disebut resapan (dopant).
2.1.1. Silikon Tipe-N
Silikon Tipe-N terbentuk karena bahan Silikon ini di dicampur dengan dopant dari golongan V tabel periodic Unsur-Unsur, seperti arsenit (As), fosfor (P), atau antimony (Sb). Ukuran atom-atom pencampur mempunyai ukuran yang sebanding dengan atom-atom Si. Empat atom donor akan berikatan kovalen dengan empat atom valensi Silikon dalam Kristal. Elektron Valensi kelima dari atom pencampur lepas dari ikatan. Elektron yang terlepas tersebut disebut dengan elektron donor atau Elektron Ekstrinsik, sedangkan atom pencampur disebut atom donor.
6
2.1.2. Silikon Tipe-P
Silikon Tipe-N terbentuk karena bahan Silikon ini dicampur dengan dopant dari golongan III tabel periodik unsur-unsur, seperti Ga, dan Al. sehingga masih ada ikatan yang tidak terisi, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.3 Atom Pencampur valensi Tiga dalam Kristal Silikon
Atom-atom pencampur yang menyebabkan pembangkitan hole pada Silikon dinamakan akseptor. Silikon yang berisi pencampur jenis akseptor dinamakan Silikon Tipe-p, karena pembawa muatannya merupakan muatan-muatan positif (hole). Hole-hole yang terbentuk dengan cara ini disebut hole ekstrinsik.
2.2. Gerakan Elektron dan Hole Dalam Medan Listrik
Arus listrik yang terjadi dalam semikonduktoradalah akibat perpindahan partikel pembawa muatan, baik itu electron maupun hole yang terdapat pada semikonduktor tersebut. Konduktivitas listrik dalam semikonduktor adalah juga akibat dari perpidahan electron bebas dan hole.
7
Apabila antara ujung-ujung penghatar semikonduktor dikenakan beda potensial, maka pada penghantar tersebut akan timbul medan listrik. Dari hubungan antara gaya listrik dan medan listrik akan didapat persamaan:
(2.1) Dengan :
Q = besar muatan (C) F = Gaya Listrik (N) E = Medan Listrik (N/C)
Apabila pembawa muatan tersebut berupa elektron-elektron bebas (Q=-e), maka gaya listrik ang dialami muatan electron bebas tersebut adalah:
(2.2)
Dari persamaan (2.2) dapat diketahui bahwa medan listrik tersebut akan memberikan gaya listrik pada electron bebas dengan arah yang berlawanan dengan medan listrik, karena pembawa muatan disini adalah electron yang bermuatan negatif, sehingga selanjutnya gaya yang timbul akan menggerakan elektron bebas searah dengan gaya listrik. Sebaliknya, apabila pembawa muatan tersebut berupa hole babas (Q=e), maka gaya listrik yang dialami oleh hole bebas adalah:
(2.3)
Dari persamaan (2.3) dapat diketahui bahwa medan listrik tersebut akan memberikan gaya listrik pada hole bebas dengan arah yang sama dengan arah medan listrik dan selanjutnya hole akan bergerak searah dengan arah medan listrik.
8
Sebenarnya elektron dan hole sudah bergerak tanpa kehadiran medan listrik, namun gerakannya tidak teratur. Gerakan ini disebabkan oleh energi termal yang dimiliki oleh electron dan hole dalam semikonduktor. Karena arah gerakannya yang acak selanjutnya disebut dengan kecepatan acak .
Gaya listrik yang bekerja pada electron bebas dan hole bebas dalam suatu penghantar semikonduktor akan memberikan tambahan kecepatan lain yang arahnya sama dengan arah gaya listrik. Dengan tambahan kecepatan tersebut maka kecepatan yang dimiliki oleh electron dan hole adalah resultan antara kecepatan acak dan kecepatan oleh gaya listrik yang selanjutnya akan searah dengan gaya listrik. Kecepatan ini selanjutnya disebut dengan kecepatan alir .
Gaya listrik yang dialami oleh pembawa muatan adalah sebesar F = Q.E. Selain Fc , pada electron dan hole juga bekerja gaya lain yang arahnya
berlawanan dengan gaya listrik yaitu Gaya Gesek yang bersifat menghambat gerakan electron dan hole. Gaya gesek ini bekerja akibat adanya tumbukan dengan atom. Besarnya gaya gesek ini diasumsikan sebagai:
(2.4)
Dengan:
τ = waktu tumbuk rata-rata muatan pembawa pada semikonduktor (s) = massa efektif muatan pembawa (kg)
= kecepatan alir electron dan hole (m/s)
Dengan menggunakan Hukum Newton II tentang gerak, maka diperoleh persamaan gerak bagi electron dan hole, yaitu:
9
(2.5)
Dari persamaan (2.5) diperoleh dua persamaan yaitu persamaan gerak untuk electron bebas (2.5a) dan persamaan gerak untuk hole (2.5b)
(2.5a)
(2.5b)
Gerakan electron bebas dan hole bebas dalam zat padat dapat digambarkan sebagai berikut:
(a) (b)
Gambar 2.4. (a). Gerakan Elektron Bebas dalam medan listrik (b). Gerakan Hole Bebas dalam medan listrik
Kecapataan alir electron dan hole dalam semikonduktor, makin lama makin besar tetapi dilain pihak pertambahan kecepatan ini memperbesar gaya gesek, sehingga pada suatu saat gaya geseka ini akan mengimbangi gaya listrik. Pada saat itu elektron maupun hole bergerak dengan kecepatan maksimum, yaitu
10
saat . Keadaan ini disebut Steady State atau keadaan setimbang. Pada keadaan ini, laju perubahan momentum dari medan listrik sama dengan laju perubahan momentum akibat tumbukan, sehingga persamaan (2.5a) dan (2.5b) menjadi:
(2.6a)
(2.6b)
Persamaan (2.6a) adalah persamaan kecepatan alir untuk electron bebas, sedangkan persamaan (2.6b) adalah persamaan kecepatan alir untuk hole dalam semikonduktor.
2.3. Konduktivitas Semikonduktor
Konduktivitas adalah rapat arus tiap satu-satuan medan listrik. Kalau J rapat akibat medan listrik yang diberikan , dan konduktivitas , maka
konduktivitas dalam bahan semikonduktor dapat dirumuskan:
(2.7)
Sebagai contoh, suatau semikonduktor berbentuk silidris dengan panjang L dan luas penampang A, dialiri pembawa muatan dengan kecepatan vd akibat
medan listrik yang diberikan didalam silinder sepertiyang ditunjukkan pada gambar (2.6). Karena itu waktu yang diperlukan oleh pembawa muatan untuk melintasi jarak L, diberikan oleh:
11
Gambar 2.5 Semikonduktor Silindris yang diberikan Medan Listrik
Kalau nc menyatakan jumlah kosentrasi pembawa muatan dalam bahan, maka
jumlah total muatan yang ada dalam silinder sama dengan dimana q adalah besar muatan. Jumlah muatan ini melewati penampang dalam waktu t, sehingga kuat arus yang mengalir dalam semikonduktor adalah
(2.9)
Dari difinisi rapat arus adalah arus listrik persatuan luas, maka persamaan rapat arus dapat dituliskan:
(2.10)
Dengan menggunakan persamaan persamaan (2.8), maka:
(2.11)
Dengan mendifinisikan mobilitas dari suatu pembawa muatan sebagai kecepatan alir pembawa tiap satu satuan medan listrik, maka mobilitas pembawa muatan dapat dinyatakan sebagai:
A E
12
(2.12)
Maka rapat arus menjadi:
Sehingga konduktivitas pada semikonduktor dapat dituliskan :
(2.13)
2.4. Efek Hall
Suatu penghantar semikonduktor yang diberikan beda potensial akan mengalirkan arus listrik sebagai akibat perpindahan pembawa muatan. Arus electron akan terjadi berlawanan arah dengan medan listrik, sedangkan arus hole akan bergerak searah medan listrik. Arus pembawa akan bergerak dengan kecepatan alir sebesar . Apabila pada penghantar tersebut diberikan medan
magnet dengan arah tegak lurus pada arah arus pembawa muatan, akan menimbulkan Gaya Lorentz yang membelokkan arah gerak pembawa muatan bebas. Gejala ini dikenal dengan Efek Hall.
Pada Gambar 2.6 (a) dan 2.6 (b) terlihat bahwa batang penghantar berbentuk persegi panjang yang membawa Arus I dalam arah x-positif dan diberikan medan magnet B menurut arah z-positif. Pembawa muatan bergerak
13
Gambar 2.6 (a) Efek Hall pada Semikonduktor Tipe-N
Gambar 2.6 (b) Efek Hall pada Semikonduktor Tipe-P
dengan kecepatan akan mengalami pembelokan arah gerakan ke arah
sumbu y sebagai akibat adanya gaya Lorentz. Gaya Lorentz timbul akibat adanya medan magnet yang tegak lurus terhadap arah ecepatan alir. Adapun besar gaya Lorentz dapat dirumuskan:
(2.14) Dengan: FL = Gaya Lorentz (N) Y Z -X B EH vd I Y Z -X B EH vd I
14 Q = Muatan Listrik (C)
B = Medan Magnet (Tesla)
vd = Kecepatan Alir (m/s)
dengan adanya gaya Lorentz, timbul gerakan pembawa arus yaitu electron dan hole bebas untuk Semikonduktor Tipe-N dan Semikonduktor Tipe-P yang tidak lurus lagi, melainkan akan dibelokkan menuju ke permukaan bawah bahan semikonduktor atau kearah sumbu y-negatif, dan terkumpul pada sisi sampel. Kalau pembawa muatannya electron bebas untuk semikonduktor Tipe-N, electron-elektron akan dibelokkan ke arah permukaan A, sehingga pada permukaan A akan lebih bersifat negative dibandingkan dengan permukaan B. Adanya perbedaan muatan ini menimbulkan medan listrik pada sampel dan selanjutnya disebut Medan Hall (EH), yang terbentuk sepanjang sumbu
y-negatif. Dengan timbulnya medan hall ini pada electron bekerja gaya lain yang melawan gaya Lorentz yaitu gaya Coloumb (FH) yang searah dengan sumbu
y-positif. Besar gaya Coulomb bergantung pada medan hall dan pembawa muatan, yaitu:
(2.15)
Suatu kesetimbangan akan terjadi kalau gaya ini mengimbangi satu sama yang lainnya. Dalam tahap ini tidak terjadi penumbpukan electron lebih lanjut pada permukaan A dan medan Hall mencapai nilai setimbang.
Jika pembawa muatannya berupa hole, yaitu pada semikonduktor yang digunakan Tipe-P, penumpukan hole akan terjadi di permukaan A sehingga permukaan ini akan lebih positif dibandingkan dengan permukaan bagian atas
15
(B). Dalam tahap ini, akan terjadi sepanjang sumbu y-positif. Gaya Coulomb pada hole akibat medan hall akan timbul dan selanjutnya akan melawan gaya Lorentz serta mengimbanginya. Dalam kondisi kesetimbangan gaya Coulomb ini mencegah penumpukan hole dan selanjutnya medan hall mencapai nilai setimbang.
(a) Tipe-N
(b) Tipe-P
Gambar 2.7 Skema gaya-gaya yang terjadi pada Efek Hall Y FH Z -X E FL B vd Y Z -X E FL B vd
16
Pada gambar 2.6 terlihat gaya coulomb berlawanan arah dengan arah gaya Lorentz. Selama medan litrik E tidak berubah, besarnya gaya Lorentz akan tetap. Sedangkan Gaya Coulomb semakin lama semakin besar, sebanding dengan semakin banyaknya pembawa muatan yang menumpuk pada permukaan yang menyebabkan semakin besarnya medan Hall, sehingga pada suatu saat besarnya gaya-gaya ini akan saling mengimbangi dan resultan gaya-gaya kea rah sumbu y menjadi nol. Pada saat itu gerakan pembawa muatan kembali bergerak dengan lintasan lurus. Jadi akan berlaku:
(2.16)
Dari persamaan rapat arus (J) yang mengalir dalam suatu penghantar adalah , maka kecepatan alir pembawa muatan dalam semikonduktor adalah
(2.11)
Jika persamaan (2.11) disubstitusikan ke persamaan (2.10) diperoleh persamaan:
(2.12)
Dari persamaan (2.12) diketahui bahwa EH sebanding dengan J dan B dengan
17
(2.17)
Sehingga persamaan 2.12 bisa dituliskan dalam bentuk,
(2.18) Harga RH bergantung pada bahan karena hanya bergantung pada kosentrasi
pembawa muatan electron maupun hole. Apabila pembawa muatannya electron, maka koefisien hallnya bernilai negative
(2.19)
Dengan n menunjukkan kosentrasi electron. Apabila pembawa muatannya adalah hole, muatan pembawanya akan berharga positif dan koefesien hallnya bernilai:
(2.20)
Dengan p menunjukkan kosentrasi hole.
Sesuai dengan hukum Ohm, medan listrikyang timbul dalam penghantar ditentukan oleh beda potensial dan jarak antar ujung penghantar. Dalam kaitannya dengan Efek Hall, maka medan Hall dapat dituliskan:
(2.21)
Dengan:
VH = tegangan Hall (volt)
d = Jarak antar permukaan (m) EH = Medan Hall (V/m)
Dengan merubah bentuk persamaan (2.10) menjadi
18
maka kecepatan alir pembawa muatan pada semikonduktor Tipe-N dan Tipe-P dengan metode Efek Hall, dapat dirumuskan sebagai berikut, yaitu:
19 BAB III
METODELOGI PENELITIAN
3.1. Susunan Alat-Alat Percobaan
Pada penelitian penentuan kecepatan alir electron dan hole dengan metode Efek Hall, digunakan alat yang disusun seperti pada skema sususnan peralatan Efek Hall, yaitu:
Gambar 3.1 Skema Susunan Alat Efek Hall
3.2. Pemilihan Sampel dan Pembentukan Sampel
Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah Silikon Tipe-N dan silicon Tipe-P. Silicon Tipe-N dan silicon Tipe-P yang berbentuk lingkaran (wafer), seperti pada Gambar 3.2, dipotong-potong dengan ukuran 2 cm x 1 cm dengan menggunakan diamond saw.
20
Gambar 3.2 Wafer Silikon
Sampel silikon yang berbentuk persegiempat panjang, kembali dibentuk seperti yang ditunjukkan gambar 3.3. berdasarkan Standar ASTM (The American Society For Testing And Material).
Gambar 3.3 Bentuk Sampel (ASTM F76-86, 1991)
Bentuk ini dibuat agar arus yang mengalir melalui kontak dapat terkumpul sebanyak-banyaknya dan terdistribusi secara merata. Untuk membentuk potonganseperti gambar 3.3, terlebih dahulu potongan sampel yang berbentuk persegiempat panjang ditempel pada kaca setebal 5 mm yang berukuran 2 cm x 2,7 cm dengan perekat (Wak). Kaca ini berfungsi untuk mempermudah proses pembentukan potongan sampel. Alat yang digunakan adalah Isomet Low Speed Saw.
Sampel yang telah berbentuk seperti Gambar 3.3, dibuatkan kontak ohmik pada ujung-ujung sampel sebagai tempat untuk menempalkan electrode, melaui proses pelapisan dengan metode evaporasi dengan logam yang bersesuaian, Untuk Silikon Tipe-N kontak dibuat dari Zn, sedangkan untuk Silikon Tipe-P kontak dibuat dari Ti dan kemudian dilapisi dengan Al.
21 3.3 Persiapan Penelitian
3.3.1. Pembuatan Tempat Sampel
Agar sampel yang dipergunakan dalam penelitian dapat ditempatkan pada posisi yang tepat dan baik, maka diperlukan suatu alat yang dinamakan tempat sampel. Tempat sampel ini, dibuat dari bahan PCB yang sekaligus dapat dimanfaatkan untuk pembuatan jalur-jalur rangkaian untuk mengukur tegangan hall (VH) dan aliran arus konstan (I).
Untuk menghubungkan jalur rangkain dengan tempat sampel, pada tiap-tiap kontak diberi serat kabel yang berfungsi sebagai probe. Serat kabel ditempatkan pada kontak dengan menggunakan lem perak untuk menjamin lancarnya distribusi aliran arus yang masuk. Bentuk tempat sampel dan jalur-jalurnya dapat dilihat pada Gambar 3.4
22 3.3.2 Kotak Sampel
Kontak sampel berguna untuk menjaga temperature dari masing-masing sampel agar tetap kostan pada saat dilaksanakannya percobaan. Kotak ini terbuat dari aluminium yang berukuran 7 cm x 6 cm x 4 cm, yang pada bagian dalamnya dilapisi asbes untuk mengurangi terjadinya kebocoran temperatur. Sampel yang telah dilem pada tempat sampel dipasang pada rangkaian kemudian baru kotak sampel dipasang.
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Pada percobaan Penentuan kecepatan pembawa muatan pada silikon, akan dilakukan dua macam percobaan pada setiap sampel baik untuk silikon Tipe-N maupun silikon Tipe-P dengan maksud untuk mengoptimalkan hasil pengukuran. Kedua macam percobaan tersebut, yaitu :
1. Pengukuran tegangan hall (VH) pada suhu kamar, arus konstan I = 1
mA, dan medan magnet (B) yang divariasikan antara 200-2000 Gauss. 2. Pengukuran tegangan hall (VH) pada suhu kamar, medan magnet B = 1
KG, dan arus konstan ( I ) dibuat bervariasi antara 0,4 – 3 mA.
Tegangan hall yang terukur pada setiap kali percobaan ada dua, yaitu tegangan hall untuk medan magnet yang menembus polis, yang dikatakan berarah positif (B+) dan untuk medan magnet yang menembus bagian non-polis yang dikatakan berarah negative (B-). Untuk medan magnet (B+) maka tegangan hall yang terukur adalah tegangan hall positif (VH+)dan sebaliknya
untuk medan magnet (B-) maka tegangan hall yang terukur adalah tegangan hall negative (VH-). Pembalikan medan magnet dimaksudkan untuk
23 3.4. Langkah-Langkah Penelitian
Langkah – langkah yang digunakan untuk kedua macam penelitian efek hall pada prinsipnya sama, yaitu :
Langkah-langkah (I)
1. Pengukuran jarak probe untuk arus (p) dan probe untuk pengukuran tegangan hall (d), menentukan jenis sampel, jari-jari atom (R), kerapatan atom (N) dan selanjutnya memasukkan dalam tabel spesifikasi sampel.
2. Merangkai/menyusun alat-alat percobaan.
3. Memasang sampel yang akan diukur dan memastikan jalur-jalur yang digunakan.
4. Memprogram sumber arus agar memperoleh arus konstan sesuai yang diinginkan, (I=1 mA).
5. Pemanasan sampel sehingga mencapai suhu sampel yang diinginkan (suhu kamar).
6. Medan magnet diprogram sesuai dengan besar dan arah yang diinginkan, kemudian arus konstan dapat dialirkan.
7. Baca tegangan sampel dan tegangan hall dengan cepat pada instrument pengukur.
8. Mematikan arus konstan dengan cepat agar suhu sampel tidak naik. 9. Mengulangi langkah-langkah 6-8 untuk arah medan magnet yang
berbeda.
10. Semua hasil percobaan I dapat dilihat pada Tabel 1.(A): 2.(A): 3.(A): 4.(A); 5.(A); 6.(A).
24 Penelitian II
1. Pengukuran jarak probe untuk arus (p) dan probe untuk pengukuran tegangan hall (d), menentukan jenis sampel, jari-jari atom (R), kerapatan atom (N) dan selanjutnya memasukkan dalam tabel spesifikasi sampel.
2. Merangkai/menyusun alat-alat percobaan.
3. Memasang sampel yang akan diukur dan memastikan jalur-jalur yang digunakan.
4. Pemanasan sampel sehingga mencapai suhu sampel yang diinginkan (suhu kamar).
5. Mengatur Instrumen Magnetik Field Source agar Medan magnet B= 1 KGauss dan dengan arah yang diinginkan,
6. Mengalirkan arus konstan dengan besar yang diinginkan.
7. Membaca tegangan sampel dan tegangan hall dengan cepat pada instrument pengukur.
8. Mematikan arus konstan dengan cepat agar suhu sampel tidak naik. 9. Mengulangi langkah-langkah 6-7 untuk arah medan magnet yang
berbeda.
10. Semua hasil percobaan II dapat dilihat pada Tabel 1.(B): 2.(B): 3.(B): 4.(B); 5.(B); 6.(B).
25 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian
Data Spesisifikasi Sampel pada semua sampel untuk Silikon Tipe-P dan Silikon Tipe-N dapat dilihat pada Tabel 4.1. sebagai berikut:
Tabel 4.1 Tabel Spesifikasi Sampel Sampel p (m) d (m) t (m) N (m-3) m (gram) ρ (Ω.m) Si-p1 0,016 0,0050 408 4,98 . 1028 0,1895 1,740 Si-p2 0,016 0,0050 401 4,86 . 1028 0,1818 1,730 Si-p3 0,016 0,0050 417 5,11 . 1028 0,1987 1,840 Si-n1 0,016 0,0045 448 4,99 . 1028 0,2087 2,091 Si-n2 0,016 0,0045 404 5,00 . 1028 0,1885 1,904 Si-n3 0,016 0,0045 402 5,20 . 1028 0,1945 1,517
Keterangan: Si-p# = sampel #, Silikon Tipe-P Si-n# = sampel #, Silikon Tipe-N
Tabel 4.1. menunjukkan bahwa sampel Silikon tipe-P mempunyai hambatan jenis yang lebih kecil dibandingkan dengan sampel Silikon Tipe-N, begitu juga dengan ketebalan sampelnya
Data hasil pengukuran tegangan hall pada semua sampel untuk Silikon Tipe-P dan Silikon Tipe-N dengan variasi arus konstan, dapat dilihat pada Tabel 4.2 dan Tabel 4.3. sebagai berikut:
26
Tabel 4.2 Tabel Pengukuran Tegangan Hall Pada Sampel Si-P Sampel Si-P1 B (Gauss) I (A) V (Volt) B+ B- VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.0154 0.0004 0.0023 0.0019 0.0004 0.0023 0.0019 1000 0.001 0.031 0.0004 0.0043 0.0039 0.0004 0.0044 0.004 1000 0.0015 0.0464 0.0004 0.006 0.0056 0.0004 0.006 0.0056 1000 0.002 0.0611 0.0004 0.0081 0.0077 0.0004 0.0077 0.0073 Sampel Si-P2 B (Gauss) I (A) V (Volt) B+ B- VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.0141 0.0008 0.0027 0.0019 0.0007 0.0027 0.002 1000 0.001 0.0283 0.0014 0.0052 0.0038 0.0018 0.0056 0.0038 1000 0.0015 0.0424 0.0017 0.0073 0.0056 0.0022 0.0079 0.0057 1000 0.002 0.0665 0.0018 0.0093 0.0075 0.0025 0.01 0.0075 Sampel Si-P3 B (Gauss) I (A) V (Volt) B+ B- VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.0185 0.0045 0.0066 0.0021 0.0035 0.0058 0.0023 1000 0.001 0.0371 0.0071 0.0118 0.0047 0.005 0.0095 0.0045 1000 0.0015 0.0557 0.0081 0.0148 0.0067 0.0059 0.0124 0.0065 1000 0.002 0.0742 0.0098 0.0185 0.0087 0.0067 0.0154 0.0087
Tabel 4.3 Tabel Pengukuran Tegangan Hall Pada Sampel Si-N Sampel Si-N1 B (Gauss) I (A) V (Volt) B+ B- VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.0255 0.0061 0.0091 0.003 0.0072 0.0104 0.0032 1000 0.001 0.0509 0.0083 0.0143 0.006 0.0079 0.0141 0.0062 1000 0.0015 0.0764 0.0085 0.0176 0.0091 0.0087 0.018 0.0093 1000 0.002 0.101 0.0102 0.0226 0.0124 0.0103 0.0229 0.0126
27 Sampel Si-N2 B (Gauss) I (A) V (Volt) B+ B- VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.043 0.0028 0.0051 0.0023 0.0029 0.0053 0.0024 1000 0.001 0.086 0.0029 0.0076 0.0047 0.0029 0.0077 0.0048 1000 0.0015 0.129 0.0029 0.0098 0.0069 0.0029 0.0098 0.0069 1000 0.002 0.172 0.0029 0.012 0.0091 0.0029 0.0121 0.0092 Sampel Si-N3 B
(Gauss) I (A) V (Volt)
B+ B-VH0+ (V) VHB+ (V) VH+ (V) VH0- (V) VHB- (V) VH- (V) 1000 0.0005 0.034 0.0007 0.003 0.0023 0.0007 0.0031 0.0024 1000 0.001 0.067 0.0011 0.0058 0.0047 0.0012 0.006 0.0048 1000 0.0015 0.102 0.0041 0.0106 0.0065 0.0041 0.0107 0.0066 1000 0.002 0.145 0.0091 0.0186 0.0095 0.0094 0.0189 0.0095 Keterangan:
VH- = Tegangan Hall untuk arah medan magnet (-) VH+ = Tegangan Hall untuk arah medan magnet (+) VH0- = Tegangan Hall awal untuk arah medan magnet (-) VH0+ = Tegangan Hall awal untuk arah medan magnet (+)
VHB- = Tegangan Hall setelah ada arus untuk arah medan magnet (-) VH0+ = Tegangan Hall setelah ada arus untuk arah medan magnet (+)
28 4.2 Pembahasan
Secara ideal tegangan Hall (VH) baru dapat terukur pada alat pengukur
setelah medan magnet diberikan pada sampel. Namun, pada kenyataannya keadaan ini sulit didapat. Hal yang biasanya terjadi yaitu saat medan magnet belum diberikan dan kuat arus listrik sudah dialirkan, pada alat atau instrument pengukur telah terbaca harga tegangan hall tertentu sesuai dengan besarnya arus konstan yang diberikan. Hal ini timbul karena tidak simetrisnya lengan sampel tempat tegangan hall terukur.
Tegangan hall yang sebenarnya (VH) adalah tegangan yang terukur
setelah medan dialirkan (VHB) dikurangi dengan tegangan Hall sebelum medan
magnet dialirkan (VHB0). Baik untuk arah medan magnet menembus polis atau
sebaliknya, kemudian dicari nilai rata-ratanya.
Persamaan perhitungan tegangan hall dapat dituliskan sebagai berikut: (ASTM,F76-86),1991)
(4.1)
(4.2)
(4.3)
Dengan menggunakan persamaan (4.3) dan persamaan (2.19) maka dapat dihitung besar dari kecepatan alir electron dan hole dari Silikon Tipe-N dan Silikon Tipe-P dan selanjutnya dimasukkan kedalam tabel 4.4 dan Tabel 4.5
29
Tabel 4.4 Tabel Perhitungan Kecepatan Alir Untuk Silikon Tipe_P
Sampel Si-P1 B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.0154 0.0019 0.0019 0.0019 38 1000 0.001 0.031 0.0039 0.004 0.00395 79 1000 0.0015 0.0464 0.0056 0.0056 0.0056 112 1000 0.002 0.0611 0.0077 0.0073 0.0075 150 Sampel Si-P2 B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.0141 0.0019 0.002 0.00195 39 1000 0.001 0.0283 0.0038 0.0038 0.0038 76 1000 0.0015 0.0424 0.0056 0.0057 0.00565 113 1000 0.002 0.0665 0.0075 0.0075 0.0075 150 Sampel Si-P3 B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.0185 0.0021 0.0023 0.0022 44 1000 0.001 0.0371 0.0047 0.0045 0.0046 92 1000 0.0015 0.0557 0.0067 0.0065 0.0066 132 1000 0.002 0.0742 0.0087 0.0087 0.0087 174
Tabel 4.5 Tabel Perhitungan Kecepatan Alir Untuk Silikon Tipe_N Sampel Si-N1
B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.0255 0.003 0.0032 0.0031 69 1000 0.001 0.0509 0.006 0.0062 0.0061 136 1000 0.0015 0.0764 0.0091 0.0093 0.0092 204 1000 0.002 0.101 0.0124 0.0126 0.0125 278
30 Sampel Si-N2
B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.043 0.0023 0.0024 0.0024 52 1000 0.001 0.086 0.0047 0.0048 0.0048 106 1000 0.0015 0.129 0.0069 0.0069 0.0069 153 1000 0.002 0.172 0.0091 0.0092 0.0092 203 Sampel Si-N3 B
(Gauss) I (A) V (Volt)
VH+ (V) VH- (V) VH (Volt) Vd (m/s) 1000 0.0005 0.034 0.0023 0.0024 0.0024 52 1000 0.001 0.067 0.0047 0.0048 0.0048 106 1000 0.0015 0.102 0.0065 0.0066 0.0066 146 1000 0.002 0.145 0.0095 0.0095 0.0095 211
Dari tabel hasil pengukuran tegangan hall dan kecepatan alir electron dan hole pada masing-masing sampel Silikon, seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.4 dan tabel 4.5., dapar dibuat grafik hubungan Vd – VH untuk masing-masing
sampel. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1 (a), (b), dan (c) untuk Sampel Silikon Tipe-P, dan Gambar 4.2 (a) , (b) dan (c) untuk Sampel Silikon Tipe-N.
31
Gambar 4.1.A Grafik Grafik Vd vs VH Sampel Si-P1
32
Gambar 4.1.C Grafik Vd vs VH Sampel Si-P3
Dari gambar Grafik Vd vs VH (Gambar 4.1), untuk Sampel Silikon Tipe-P
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.A, Gambar 4.1.B, dan Gambar 4.1.C tampak bahwa pada masing-masing sampel menunjukkan kecepatan alir hole berbading lurus terhadap tegangan hall yang terukur, dengan nilai regresi masing-masing sebesar 0,9985 ; 0,9802; dan 0,9985
33
Gambar 4.2.B Grafik Vd vs VH Sampel Si-N2
Gambar 4.2.C Grafik Vd vs VH Sampel Si-N3
Dari gambar Grafik Vd vs VH (Gambar 4.2), untuk Sampel Silikon Tipe-P
34
4.2.C, tampak bahwa pada masing-masing sampel menunjukkan kecepatan alir elektron berbading lurus terhadap tegangan hall yang terukur, dengan nilai regresi masing-masing sebesar 0,999 ; 0,9993; dan 0,9964
Tabel 4.6.Tabel Kecepatan Alir Rata-Rata untuk Silikon Tipe-N untuk masing- masing kuat arus
I (A) Vd Si-N1 (m/s) Vd Si-N2 (m/s) Vd Si-N3 (m/s) Vd (m/s) Rata-Rata 0.0005 69 52 52 57.67 0.0010 136 106 106 116.00 0.0015 204 153 146 167.67 0.0020 278 203 211 230.67
Tabel 4.7.Tabel Kecepatan Alir Rata-Rata untuk Silikon Tipe-P untuk masing- masing kuat arus
I (A) Vd Si-P1 (m/s) Vd Si-P2 (m/s) Vd Si-P3 (m/s) Vd (m/s) Rata-Rata 0.0005 38 39 44 40.33 0.0010 79 76 92 82.33 0.0015 112 113 132 119.00 0.0020 150 150 174 158.00
Dari Tabel 4.5 dan 4.6 dapat dibuat grafik hubungan antara perubahan kuat arus terhadap kecepatan alir electron dan hole pada silikon. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Dari gambar tersebut terlihat, peningkatan kuat arus listrik sebanding dengan peningkatan kecepatan alir electron maupun hole pada Silikon.
35
Gambar 4.3. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir untuk Silikon Tipe-N
Gambar 4.4. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir untuk Silikon Tipe-P
36
Gambar 4.5. Grafik Perubahan Kuat Arus vs Kecepatan Alir untuk Silikon Tipe-N dan Silikon Tipe-P
Dari Gambar 4.5, terlihat peningkatan kecepatan alir electron lebih besar dari peningkatan kecepatan alir hole. Ini dapat diketahui dari kemiringan garis linier untuk Silikon Tipe-N lebih besar dari kemiringan garis linier untuk Silikon Tipe-p.
Dari hasil perhitungan rata-rata yang diperlihatkan pada tabel 4.5 dan 4.6 dapat diketahui bahwa untuk kuat arus listrik yang divariasikan dari 0.5mA sampai dengan 2,0mA, kecepatan alir dari electron berturut-turut adalah sebesar: 57,67 m/s, 116 m/s, 167,67 m/s dan 230,67 m/s. Sedangkan kecepatan alir hole berturut turut adalah 40,33 m/s, 82,33 m/s, 119 m/s dan 158 m/s.
37 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari perhitungan data dan pembahasan yang telah dilakukan pada penelitian tentang Pengukuran Kecepatan Alir Eletron dan Hole Pada Silikon Tipe-N Dan Tipe-P Dengan Metode Efek Hall dapat disimpulkan beberapa hal, yaitu:
1. Pengukuran Kecepatan Alir Eletron dan Hole Pada Silikon Tipe-N Dan Tipe-P dapat dilakukan dengan Metode Efek Hall.
2. Besarnya kecepatan alir electron dan hole, sangat bergantung pada besarnya kuat arus, besarnya medan magnet dan besarnya tegangan hall yang terjadi.
3. Untuk kuat arus listrik yang divariasikan dari 0.5 mA sampai dengan 2,0 mA, dengan medan magnet tetap sebesar 1000 Gauss, kecepatan alir electron yang terjadi berturut-turut adalah sebesar: 57,67 m/s, 116 m/s, 167,67 m/s dan 230,67 m/s. Sedangkan kecepatan alir hole berturut turut adalah 40,33 m/s, 82,33 m/s, 119 m/s dan 158 m/s.
5.2 Saran
Penulis menyadari bahwa penelitian ini jauh dari kata sempurna. Karenanya ada beberapa hal yang bisa dilakukan untuk penyempurnaannya, diantaranya dengan melakukan pengukuran kecepatan alir electron dan hole untuk suhu sampel yang divariasikan.
38
DAFTAR PUSTAKA
ASTM F 76-86, Standar Test Methods For Measuring Resistivity And Hall Coefficien And Dertermining Hall Mobility In Single-Cristal Semiconductors, 1991
Blackmore, J.S, Solid States Physics, 2 set Edition, W.B Sounder Company, Philadelphia 1974 hia 1974
Kittlel, C. Introduktion to Solid States Physics, Jhon Willey & Son Inc, ed.V, New York 1976
Lawrenae, H. Van Vlack, sriartati Djapric, Ilmu dan Teknologi Bahan, ed.IV, Erlangga, Jakarta 1983
Reka Rio dan Masamori Iida, Fisika dan Teknologi Semikonduktor, Tokyo 1980
Rhoderick, E.H.,Williams, R.H., Metal-Semiconduktor Contak, Second Edition, Clarendon Press, Oxfor 1988
Sutrisno, Elektronika I Teori dan Penerapannya, ITB, Bandung 1986 Zambuto, M., Semiconduktor Device, Mc Graw-Hill Book Company, 1989 Zse, S.M., Fhysics of Semiconduktor Device, John Welley & Son Inc, New
