MODUL 5 KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER

(1)

1

MODUL 5

KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER

Muhammad Ilham, Rizki, Moch. Arif Nurdin,Septia Eka Marsha Putra, Hanani, Robbi Hidayat.

10211078, 10210023, 10211003, 10211022, 10211051, 10211063. Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

E-mail: muhammad_ilham@students.itb.ac.id Asisten: (CH. A. Andre Mailoa /10210026)

Tanggal Praktikum: (31-10-2013) 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 yang 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 diolah dengan membandingkan hasil perhitungan dengan data referensi yang ada, maka dapat dibandingkan jenis warna dan energi band gap LED hasil pengamatan dengan hasil perhitungan. Karakteristik dari LED dapat diketahui melalui pengukuran karakteristik hubunganarus dan tegangan LED menggunakan I-V meter. Kata Kunci : Band gap, IV meter, LED, Panjar Maju, Tegangan threshold

I. Pendahuluan 1.1 Tujuan

Tujuan dari praktikum ini adalah menentukan karateristik LED dan menentukan jenis warna LED yang digunakan melalui hasil data yang didapatkan.

1.2 Teori Dasar

Light Emitting Diode (LED) 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. Pada saat bahan semikonduktor jenis p dan n digabungkan maka elektron bebas dari bahan jenis n akan berdifusi menuju bahan p dan berekombinasi dengan hole pada bahan jenis p,

Sebaliknya juga hole pada bahan pakan berdifusi ke bahan n dan berekomendasi

(2)

2 dengan elektron. Proses rekombinasi ini akan saling meniadakan muatan , akibatnya akan ada daerah disekitar sambungan p-n yang muatan yang netral, daerah ini yang disebut daerah deplesi. Cahaya yang dipancarkan oleh dioda ini adalah hasil dari pelepasan energi oleh elektron saat berpindah dari pita konduksi kepita valensi. Pada dioda/LED, energi yangdipancarkan 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 pitakonduksi ke pita valensi. LED memiliki kurva karakteristik sebaga berikut,

Gambar 2. Kurva Karakteristik LED Dari kurva karakteristik pada gambar [2], persamaan LED yang menyatakan hubungan tegangan dengan arus adalah :

Keterangan

Eg = Energi Band Gap (eV)

k = Konstanta Boltzman =1.38 x 10

-23

kgm2s-2K-1

q = Muatan Elektron = 1.6x10-19Coulumb

T = Suhu ruangan (Kelvin) I-V Meter adalah alat yang dapat

mengukur kuantitas atau intensitas listrik, dimana I-Vmeter 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 menggunanakan persamaan (1), kitadapat menentukan persamaan regresi yang digunakan yaitu,

maka nilai band gap (Eg) dapat diperoleh dipersamaan (3) dan (4)

Eg = (5) dan Eg = (6) h = 6,626 x 10-34 J.s

c = 299792458 m/s 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 ke

komputer. Setelah perangkat I-V meter dipasangd engan benar, jumper voltage outputdihubungkan dengan kutub positif LEDdan jumper current input dengan kutub negatif LED. Kemudian

(3)

3 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, datadisimpan dalam file ..xls , kemudian dilakukan lagi

pengambilan data untuk LED dengan warna pendar yang berbeda-beda.

III. Data dan Pengolahan Data warna LED

No Warna Tegangan I (V) Tegangan II (V) 1 Putih 2,64 2,52 2 Hijau 1,85 1,77 3 Biru 2,44 2,41 4 Orange 1,59 1,58 5 Merah 1,54 1,5 6 Pelapis merah besar 3,84 3,83 7 Pelapis merah kecil 2,49 1,41 8 Pelapis kunig 1,54 1,56 9 Pelapis hijau 1,64 1,65

Tabel 1. Data hasil tegangan LED percobaan I dan II

Data Karakterisasi IV (Kurva)

Gambar 3. Karakteristik 1 LED biru (bening).

LED Hijau (bening)

Gambar 4. Karakteristik 1 LED hijau (bening).

Gambar 5. Karakteristik 1 LED merah (bening)

Gambar 6. Karakteristik 1 LED orange (bening).

(4)

4 Gambar 7. Karakteristik 1 LED putih

(bening).

Gambar 8. Karakteristik 1 LED selubung hijau.

Gambar 9. Karakteristik 1 LED selubung kuning

Gambar 10. Karakteristik 1 LED selubung merah kecil.

Gambar 11. Karakteristik 1 LED selubung merah besar.

Gambar grafik di sekitar VTH

Gambar 12. Grafik pengamatan sekitar Vth LED biru bening.

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 2.41 V

(5)

5 Gambar 13. Grafik pengamatan sekitar

Vth LED hijau bening.

Gambar 14. Grafik pengamatan sekitar Vth LED merah bening.

Gambar 15. Grafik pengamatan sekitar Vth LED orange bening.

Gambar 16. Grafik pengamatan sekitar Vth LED putih bening.

Gambar 17. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung hijau.

Gambar 18. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung kuning.

(6)

6 Gambar 19. Grafik pengamatan sekitar

Vth LED selubung merah kecil. Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.41 V

Gambar 20. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung merah besar. Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 3.83 V LED a b c d r2 Biru 0.54 69 34 .0 5 10 .3 2 -5.40 E-06 0. 99 5 Hijau 0.27 85 21 .9 2 8. 79 2 -3.24 E-05 0. 93 3 Merah 0.91 72 41 .4 9 19 .6 4 -6.59 E-06 0. 99 6 Orange 0.05 393 39 .1 9 19 .1 4 7.61 E-06 0. 99 4 Pelapis hijau 0.55 11 36 .8 4 16 .6 3 -3.36 E-06 0. 99 9 Pelapis kuning 0.00 05 41 .5 3 23 .4 2 3.22 E-06 0. 99 9 Pelapis merah besar 5.00 E-05 67 .2 2 16 .3 5 1.72 E-06 0. 14 Pelapis merah kecil 0.95 72 22 .7 9. 83 1 -2.51 E-05 0. 88 7 Putih 0.18 11 33 .3 5 9. 83 7 -4.31 E-06 0. 99 7 Tabel 2. Data Karakterisasi LED

Dengan dan

Upper - Lower

LED a b

biru 0 inf -inf

i n f

hijau 0 inf -inf

i n f merah 0 inf 0 i n f orange 0 1000 000 -inf i n f pelapis hijau 0 1000 000 -inf i n f pelapis kuning 0 1.00E -03 -inf i n

(7)

7 f pelapis merah besar 0 1.00E -04 -10000 00 i n f pelapis

merah kecil 0 inf -inf i n f Putih 0 1000 0 -inf i n f LED c d

biru -inf inf -inf

i n f hijau -inf inf -inf

i n f merah -1E+ 07 inf -1E+0 7 i n f orange -inf inf -inf

i n f pelapis hijau -inf inf -inf

i n f pelapis

kuning -inf inf -inf i n f pelapis

merah besar -inf inf -10000 i n f pelapis

merah kecil -inf inf -inf i n f Putih -inf inf -inf

i n f Tabel 3. Data Upper-Lower LED

Tegangan Threshold LED Vth penga-matan Vth Perhi-tungan Vth referensi Biru 2.553 3.299418605 2.48-3.7 Hijau 1.773 2.493175614 1.9-4.0 Merah 1.667 2.112525458 1.63-2.03 Orange 1.684 2.04754441 2.03-2.1 Pelapis hijau 1.727 2.215273602 1.9-4.0 Pelapis kuning 1.615 1.773270709 2.1-2.18 Pelapis merah besar 3.793 4.111314985 1.63-2.03 Pelapis merah kecil 1.583 2.30902248 1.63-2.03 Putih 2.631 3.390261259 3.5

Tabel 4. Data Tegangan Threshold Tegangan threshold pengamatan didapat dari regresi nilai I dan V masing-masing LED sehingga didapat gradiennya. Vth LED biru : 2.553 V

Vth LED hijau : 1.773 V

(8)

8 Vth LED orange : 1.684 V

Vth LED pelapis hijau : 1.727 V

Vth LED pelapis kuning : 1.615 V

Vth LED pelapis merah besar : 3.793 V

Vth LED pelapis merah kecil : 1.583 V

Vth LED putih : 2.631 V

Tegangan threshold perhitungan didapat dari rumus eVth = Eg

Panjang Gelombang LED λ Penga-matan (nm) λ perhitungan (nm) Warna (berdasar-kan perhi-tungan) Biru 430- 376.0735204 biru-putih

(9)

9 505 Hijau 550-570 497.6881544 hijau-biru Merah 630-660 587.365215 kuning Orange 605-620 606.0058889 merah-orange Pelapis hijau 550-570 560.122221 hijau Pelapis kuning 585-595 699.737476 merah Pelapis merah besar 630-660 301.8070799 putih Pelapis merah kecil 630-660 537.3806365 hijau Putih 450 365.9965635 putih Tabel 5. Data Panjang Gelombang LED Panjang gelombang pengamatan merupakan panjang gelombang dari cahaya yang terlihat saat pengamatan. Panjang gelombang perhitungan dihitung dari rumus E = hc/λ. Dengan E adalah energy foton yang dalam perhitungan LED sama dengan energy gap. Energi Gap LED E perhi-tungan (eV) E penga-matan (eV) Biru 3.298 2.6 Hijau 2.492 2.3 Merah 2.112 1.8 Orange 2.047 2 Pelapis hijau 2.214 2.3 Pelapis kuning 1.773 2.1 Pelapis merah besar 4.11 1.8 Pelapis merah kecil 2.308 1.8 Putih 3.389 2.756

Tabel 6. Data Energi Gap LED

E pengamatan merupakan energy yang terlihat dari cahaya yang teramati. E perhitungan merupakan energy yang

dihitung dari konstanta b di tabel fitting sebelumnya dengan mencari nilai T terlebih dahulu dengan menggunakan konstanta c.

Hambatan Dalam

LED hambatan dalam

(ohm)

Biru 5.00E+02

Hijau 5.30E+02

Merah 5.00E+02

Orange 9.10E+02

Pelapis hijau 2.00E+02 Pelapis kuning 8.30E+02 Pelapis merah

besar 3.30E+03

Pelapis merah

kecil 1.20E+02

Putih 4.20E+02

Tabel 7. Data Hambatan Dalam LED Hambatan dalam didapat dari persamaan 7, dengan meregresi nilai I dan I dV/dI dari masing-masing LED setelah menyala. Nilai Rs merupakan gradient dari hasil plotnya.

Nilai dI/dV (gradien): Gradien LED biru : 0.002

(10)

10 Gradien LED merah : 0.002

Gradien LED orange : 0.0011

Gradien LED pelapis hijau : 0.0051

Gradien LED pelapis kuning : 0.0012

Gradien LED pelapis merah besar : 0.00029

Gradien LED pelapis merah kecil : 0.0083

(11)

11 Gradien LED putih : 0.0024

- Nilai Rs (gradient) Rs LED biru : 500 ohm

Rs LED hijau : 530 ohm

Rs LED merah : 500 ohm

RS LES orange : 910 ohm

Rs LED pelapis merah besar : 3300 ohm

(12)

12 Rs LED pelapis merah kecil : 120 ohm

Rs LED pelapis hijau : 200 ohm

Rs LED pelapis kuning : 300 ohm

Rs LEDputih : 420 ohm

IV. Pembahasan

Pada percobaan ini digunakan asumsi Eg = eVth , yaitu saat suatu semikonduktor tersebut membawa muatan (elektron/hole) yang sangat besar sehingga band gap energy nya jauh lebih besar dibanding selisih antara ujung pita (konduksi/valensi) dengan energi

ferminya. Tegangan threshold adalah tegangan minimum yangdiperlukan 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 faktor yang berpengaruh terhadap band gap energy adalah jumlah

konsentrasi pembawa, muatan elektron, lebaar band gap dimana bergantung pada

(13)

13 resistifistik bahan semikonduktor

tersebut, serta band gap energy juga dipegaruhi oleh temperatur , dimana 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

esitasitermik, sehingga rapat elektron intrinsik juga bertambah.

Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi. Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatan-muatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik. Arus difusi adalah arus yang tidak disebabkan oleh adanya perbedaan

tegangan, melainkan akibat gerak random dari pertikel-partikel bermuatan yang disebabkan oleh energi panas. Contohnya adalah elektron mengalir dari

Pendahuluan Fisika Zat Padat (Kristal Semikonduktor) suatu tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai dicapainya suatu keseimbangan.

Untuk melakukan regresi linier, cukup mengambil beberapa data saja ketika kurva telah linier, karena pada saat linier telah terjadi batas minimum

tegangan untuk LED dan telah menjadi konstan. Pada percobaan kali ini digunakan hambatan seri . asumsi yang digunakan saat arus mulai linier adalah pada saat linier telah terjadi batas

minimum tegangan untuk LED dan telah menjadi konstan.

LED putih dapat dengan

menggabungkan warna merah, biru,dan hijau (multi-color LED) dan

menggunakan senyawa fosfor. Cara lain dengan 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 lain 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 bebrapalapis fosfor yang berbeda warna dapat memperluas

spectrum sehingg amempermudah mendapatkan cahaya putih.

LED infra merah merupakan LED yangmemancarkan sperktum cahaya infra merah. LED infrared biasanya berbahan dasar indirect band gap material sehingga tidak menghasilkan cahaya 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 inframerah bahan penyusun yang digunakan untuk membuat LED yaitu Galium Arsenide (GaAs) atau aluminium Galium Arsenide (AlGaAs). Karakteristik dari LED infra merah ini yaitu lifetime 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 .

(14)

14 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 danPenerapannya. 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,

[3]http://lionel08upi.files.wordpress.com/