LAPORAN PRAKTIKUM

Nama : Riza Farrash Karim NPM : 1306368803 Fakultas : Teknik Jurusan : Teknik Mesin Grup : A11 Nomor Percobaan : Karakteristik VI Semikonduktor Tanggal Praktikum : Kamis, 6 Maret 2014

LABORATORIUM UPP-IPD FISIKA DASAR

UNIVERSITAS INDONESIA

Karakteristik VI Semikonduktor

I. Tujuan Percobaan Melihat karakteristik hubungan beda potensial (V) dengan arus listrik (I) pada suatu

Semikonduktor.

II. Peralatan 1. Bahan semikonduktor 2. Amperemeter 3. Voltmeter 4. Variable power supply 5. Camcorder 6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

III. Teori Dasar Sebuah bahan material bila dilewati oleh arus listrik akan menimbulkan disipasi panas.

Besarnya disipasi panas adalah I2R. Panas yang dihasilkan oleh material ini akan mengakibatkan perubahan hambatan material tersebut. Jika pada material semi konduktor pertambahan kalor / panas akan mengurangi nilai hambatan material tersebut. Peristiwa dispasi panas dan perubahan resistansi bahan semi konduktor ini saling berkaitan.

Gbr 1. Rangkaian Tertutup Semikonduktor

Semikonduktor merupakan bahan yang bukan murni konduktor. Bahan semikonduktor

yang terkenal contohnya adalah silicon(Si), Germanium(Ge), dan Galium Arsenida(GaAs). Germanium dahulu merupakan bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun, silicon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada di bumi setelah oksigen.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini bukanlah suatu konduktor murni.

Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor. Pada material konduktor, elektron-elektron dapat mengalir atau bergerak secara bebas. Elektron-elektron tersebut berada dalam keadaan elektrostatik. Jika konduktor dihubungkan dengan sumber tegangan maka akan didapatkan beda potensial pada setiap titik konduktor tersebut yang menyebabkan elektron-elektron tidak dalam keadaan elektrostatis lagi dan bergerak membentuk aliran yang disebut dengan kuat arus. Arah aliran kuat arus ini

ditetapkan searah dengan pergerakan proton, walaupun yang sebenarnya mengalir adalah elektron.

Sedangkan isolator adalah atom yang memiliki elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat melepaskan elektron-elektron ini. Sehingga dapat disimpulkan semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling "semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.

Salah satu cara menghasilkan beda potensial pada sebuah rangkaian tertutup ialah digunakannnya baterai. Pada eksperimen ini, kita akan melihat bahwa arus yang mengalir sebanding dengan beda potensial yang diberikan pada ujung-ujung kawat. Bila dipandang arus listrik merupakan aliran elektron, akan didapati bahwa aliran arus listrik tidak semata-mata bergantung pada beda potensial tetapi juga karena adanya hambatan di penghantar tersebut. Material semikonduktor pada suhu yang berbeda memiliki karakteristik hantaran yang berbeda pula. Semikonduktor memiliki besaran yang mempengaruhi bagaimana arus listrik mengalir pada material tersebut.

Dalam semikonduktor jumlah elektron bebas bergantung pada temperatur. Makin tinggi temperatur makin banyak elektron bebas. Bahan semikonduktor dapat bersifat isolator saat temperature mendekati 0K karena didalamnya tak ada elektron bebas. Bila logam dipanaskan, hambatan R naik karena getaran atom dalam logam semakin keras dan tumbukan yang dialami pembawa muatan semakin banyak.

Pada dasarnya dalam kawat penghantar terdapat aliran elektron dalam jumlah yang sangat besar, jika jumlah elektron yang bergerak ke kanan dan ke kiri sama besar maka seolah-olah tidak terjadi apa-apa. Namun jika ujung sebelah kanan kawat menarik elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya maka akan terjadi aliran elektron ke kanan (dalam hal ini disepakati bahwa arah arus ke kiri). Aliran elektron inilah yang selanjutnya disebut arus listrik.

Yang menentukan seberapa besar arus yang mengalir adalah besarnya beda potensial (dinyatakan dengan satuan volt). Jadi untuk sebuah konduktor semakin besar beda potensial akan semakin besar pula arus yang mengalir. Beda potensial diukur antara ujung-ujung konduktor. Namun kadang-kadang kita berbicara tentang potensial pada suatu titik tertentu. Dalam hal ini kita sebenarnya mengukur beda potensial pada titik tersebut terhadap suatu titik acuan tertentu. Sebagai standar titik acuan biasanya dipilih titik tanah (ground).

IV. Prosedur Percobaan Menuju halaman web sitrampil7.ui.ac.id/lr03 1. Mengaktifkan Web cam dengan cara mengklik icon video pada halaman web r- Lab. 2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan.

3. Memberikan beda potensial dengan memberi tegangan V1. 4. Mengaktifkan power supply/baterai dengan mengklik radio button di sebelahnya. 5. Mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan. 6. Ulangi langkah 3 hingga 5 untuk beda potensial V2 hingga V8. Catatan : data yang diperoleh adalah 5 buah data terakhir jika rangkaian diberi beda potensial tertentu ( misalkan V1) dengan interval 1 detik antara data ke satu dengan data berikutnya.

V. Tugas dan Evaluasi 1. Perhatikan data yang saudara peroleh, apakah terjadi perubahan tegangan dan arus

untuk V1 , V2 , V3 , V4 dan V5? Bila terjadi perubahan Jelaskan secara singkat mengapa hal tersebut terjadi (analisa0 dan bila tidak terjadi jelaskan pula mengapa demikian !

2. Dapatkan nilai rata-rata beda potensial yang terukur dan arus yang terukur untuk V1 , V2 , V3 hingga V8.

3. Buatlah grafik yang memperlihatkan hubungan V vs I untuk rata rata V dan I yang terukur (lihat tugas 2)!

4. Bagaimanakah bentuk kurva hubungan V vs I , jelaskan mengapa bentuknya seperti itu !

5. Berdasarkan berbagai kurva grafik V vs I bolehkah kita menggunakan hukum Ohm dalam peristiwa ini ?

6. Berikan kesimpulan terhadap percobaan ini!

VI. Pengolahan Data dan Evaluasi a. Nilai rata-rata beda dan arus yang terukur untuk V1 hingga V8

Vn V (Volt) I (mA) Vrt (V) Irt (mA)

V1

0.3 2.61

0.30 2.61 0.3 2.61 0.3 2.61 0.3 2.61 0.3 2.61

V2 0.93 8.15 0.93 8.15 0.93 8.15

0.93 8.15 0.93 8.15 0.93 8.15

V3

1.25 10.75

1.25 10.95 1.25 10.75 1.25 11.08 1.25 11.08 1.26 11.08

V4

1.71 15.31

1.71 15.25 1.71 15.31 1.71 15.31 1.71 14.99 1.71 15.31

V5

2.17 19.55

2.16 19.94 2.16 19.88 2.16 19.88 2.16 20.2 2.16 20.2

V6

2.79 26.72

2.78 27.30 2.78 27.04 2.78 27.37 2.78 27.37 2.77 28.02

V7

3.07 29.98

3.06 31.02 3.06 30.63 3.05 31.61 3.05 31.61 3.05 31.28

V8

3.54 37.47

3.52 38.45 3.53 37.8 3.52 38.45 3.51 39.1 3.51 39.43

b. Grafik Hubungan Vrata-rata dengan Irata-rata

Vrata-rata

(V) Irata-rata (mA) 0.3 2.61 0.93 8.15 1.252 10.948 1.71 15.246 2.162 19.942 2.78 27.304 3.056 31.022

3.522 38.45

c. Bentuk kurva hubungan V vs I Bentuk kurvanya hampir linear sempurna hal ini disebabkan karena kuat arus yang

mengalir sebanding dengan beda potensial yang diberikan dalam suatu rangkaian tertutup. Dalam bahan semikonduktor, hambatan dari bahan semikonduktor tersebut sangat bergantung pada suhu. Makin tinggi temperatur makin banyak elektron bebas. Bahan semikonduktor dapat bersifat isolator saat temperature mendekati 0K karena didalamnya tak ada elektron bebas. Bila logam dipanaskan, hambatan R turun karena getaran atom dalam logam semakin keras dan tumbukan yang dialami pembawa muatan semakin banyak, sehingga elektron lebih mudah bergerak dan menghantarkan arus listrik dengan baik. Ini terjadi karena pertambahan jumlah elektron bebas dengan naiknya temperatur mempunyai pengaruh lebih kuat daripada getaran atom pada harga resistansi R.

Dalam percobaan, suhu yang diberikan selama pengukuran berlangsung adalah relatif tetap, sehingga nilai dari besar hambatan pada bahan semikonduktor tersebut hampir bernilai tetap. Hal ini menyebabkan berlakunya hukum Ohm yang menyatakan bahwa nilai hambatan suatu bahan selalu konstan walaupun bahan tersebut diberi beda potensial yang berbeda-beda. Atau secara matematis dapat dituliskan,

V = I . R

dimana R bersifat independen terhadap beda potensial yang diberikan. Nilai hambatan semikonduktor yang tetap selama pengukuran menyebabkan beda potensial hanya mempengaruhi kuat arus pada suatu rangkaian dan besar dari kuat arus tersebut berbanding lurus dengan besar beda potensial yang diberikan oleh sumber tegangan. Hal ini lah yang menyebabkan bentuk grafik antara beda potensial dengan kuat arus berbentuk garis lurus berdasarkan data hasil percobaan.

d. Nilai hambatan yang digunakan berdasarkan kurva V vs I Berdasarkan data percobaan, dapat kita tentukan nilai hambatan yang digunakan

berdasarkan kurva tersebut dapat dicari dengan menggunakan metode least square dimana dapat diperoleh hubungan sebagai berikut,

V = R I

y = bx ± a

dimana: y = V b = R x = I

Perhitungan nilai hambatan berdasarkan beda potensial dan kuat arus dengan metode least square. Berikut tabel hubungan antara beda potensial rata-rata (Y) dan kuat arus rata-rata (X):

V Xi Yi Xi^2 Yi^2 XiYi 1 0.3 2.61 0.09 6.8121 0.783 2 0.93 8.15 0.8649 66.4225 7.5795 3 1.252 10.948 1.567504 119.8587 13.7069 4 1.71 15.246 2.9241 232.4405 26.07066 5 2.162 19.942 4.674244 397.6834 43.1146 6 2.78 27.304 7.7284 745.5084 75.90512 7 3.056 31.022 9.339136 962.3645 94.80323 8 3.522 38.45 12.40448 1478.403 135.4209

Jumlah 15.712 153.672 39.5928 4009.49 397.384

a=-2.28116

b=0.987825

Y=0.987825x-2.28116 Sedangkan untuk kesalahan relative sebesar,

=0.987825 Sehingga,

=0.056548

=0.016021

Maka, besar kesalahan relative= TK; 0.056548/0.016021 x 100% = 3.529695%

e. Analisis Hukum Ohm, V = I R Dalam hukum Ohm, hubungan V = I R dapat digunakan untuk menghitung nilai hambatan dalam bahan semikonduktor selama suhu atau temperatur pada bahan semikonduktor tersebut tertentu, sesuai dengan hasil percobaan dan pengolahan data diperoleh bahwa kuat arus yang mengalir dalam suatu rangkaian tertutup sebanding dengan beda potensial yang ditimbulkan oleh sumber listrik. Beda potensial tersebut juga telah dibuktikan tidak mempengaruhi besarnya nilai hambatan suatu semikonduktor. Hambatan dari semikonduktor yang ada memiliki nilai sesuai besaran hambat jenis yang dipengaruhi oleh suhu dan dijelaskan melalui persamaan: dengan ρ0 adalah resistivitas bahan pada suhu acuan T0, α adalah koefisien suhu rata-rata resistivitas untuk kisaran suhu tertentu.

VII. Analisis Data a. Analisis Percobaan Percobaan karakteristik V I Semikonduktor dilakukan dengan mengalirkan tegangan

dengan besar yang berbeda-beda pada suatu kawat yang diberi semikonduktor. Untuk setiap besar tegangan akan diperoleh data mengenai besarnya kuat arus yang mengalir pada kawat dengan semikonduktor tersebut. Semakin besar tegangan yang diberikan, arus yang mengalir pada kawat semakin besar. Besarnya arus listrik yang mengalir pada kawat tersebut berbanding lurus dengan besar beda potensial yang diberikan seperti terlihat dalam grafik pada bagian pengolahan data.

Nilai hambatan yang digunakan pada percobaan ini berarti bernilai relatif tetap. Hal ini disebabkan karena dalam percobaan hampir tidak terjadi perubahan suhu. Nilai atau besar hambatan dari suatu semikonduktor sangat dipengaruhi oleh suhu. Pada awal tegangan, suhu semikonduktor masih merupakan suhu awal sebelum mulai memanas sehingga nilai hambatannya agak lebih besar dari garis linier pada grafik. Semakin lama digunakan, suhu semikonduktor memanas dan nilai hambatan semakin menurun. Karena dalam percobaan suhunya dianggap relatif tetap, maka nilai hambatan dari semikonduktor tersebut juga tetap dan menyebabkan besar arus yang terukur dalam percobaan sebanding dengan besar tegangan yang diberikan.

b. Analisis Kuantitatif Perhitungan yang dilakukan dalam percobaan ini adalah menghitung besar rata-rata

dari tiap tegangan yang dialirkan pada kawat dengan semikonduktor untuk suatu besar tegangan yang sama. Misalnya rata-rata tegangan dari V1, rata-rata tegangan V2 dst. Hal ini disebabkan karena voltmeter mencatat adanya perubahan tegangan yang sangat kecil ketika pengukuran. Dihitung juga rata-rata kuat arus yang dicatat oleh amperemeter untuk tiap besar tegangan yang sama. Rumus yang digunakan adalah

Vrata-rata=(Van+Vbn+Vcn+Vdn+Ven)/5

Demikian juga dilakukan hal yang sama untuk kuat arus yang terukur pada amperemeter.

Kemudian, dilakukan perhitungan dengan menggunakan metode least square untuk mendapatkan nilai hambatan yang digunakan pada rangkaian. Dengan hubungan sebagai berikut:

V = R I y = b x + a

dengan, y = V, b = R, dan x = I

Dengan menggunakan metode least square diperoleh nilai b yang juga merupakan nilai

dari hambatan yang digunakan. Perhitungan kesalahan dilakukan sebagai berikut:

TK: δm/δb x 100%

c. Analisis Kualitatif dan Grafik Berdasarkan percobaan diatas, bahwa V sebanding dengan I, dan V tergantung pada R.

Dengan kata lain, semakin besar V, kuat arus semakin besar dan hambatan semakin kecil. Pada grafik, terlihat grafik yang linear menunjukkan R hampir konstan dan setiap kenaikan V disertai kenaikan kuat arus yang mengalir.

V ~ I , I ~ 1/R

Dalam hukum Ohm, hubungan V = I R dapat digunakan untuk menghitung nilai

hambatan dalam bahan semikonduktor selama suhu atau temperatur pada bahan semikonduktor tersebut tertentu, sesuai dengan hasil percobaan dan pengolahan data diperoleh bahwa kuat arus yang mengalir dalam suatu rangkaian tertutup sebanding dengan beda potensial yang ditimbulkan oleh sumber listrik. Beda potensial tersebut juga telah dibuktikan tidak mempengaruhi besarnya nilai hambatan suatu semikonduktor. Hambatan dari semikonduktor yang ada memiliki nilai sesuai besaran hambat jenis yang dipengaruhi oleh suhu dan dijelaskan melalui persamaan

dengan ρ0 adalah resistivitas bahan pada suhu acuan T0, α adalah koefisien suhu rata-rata resistivitas untuk kisaran suhu tertentu. Dengan demikian, Hukum Ohm tetap berlaku pada bahan semikonduktor, tetapi besar nilai hambatan jenisnya. Grafik yang dilaporkan merupakan grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus. Dari bentuk grafik yang hampir berbentuk garis lurus dapat disimpulkan bahwa kuat arus yang terukur merupakan hasil perkalian antara tegangan yang diberikan dengan suatu besaran yang besarnya hampir tetap serta tidak dipengaruhi beda potensial atau tegangan tersebut. Besaran tetap tersebut adalah nilai hambatan dari semikonduktor pada suhu yang relatif tetap. Besar hambatan ini sebenarnya dipengaruhi oleh suhu. Semakin tinggi suhu, maka nilai hambatan dari suatu semikonduktor akan mengecil. Hal ini dapat dilihat pada grafik yang tidak linier sempurna karena terjadinya sedikit perubahan suhu yang sangat kecil karena bahan dari semikonduktor tersebut mulai memanas. Pada awal tegangan, suhu semikonduktor masih merupakan suhu awal

sebelum mulai memanas sehingga nilai hambatannya agak lebih besar dari garis linier. Semakin lama digunakan, suhu semikonduktor memanas dan nilai hambatan semakin menurun. Dalam percobaan suhu yang diberikan dianggap tetap, maka dapat dilihat bahwa pertambahan kuat arus berbanding lurus dengan tegangan.

VIII. Kesimpulan Berdasarkan analisis diatas, dapat disimpulkan sebagai berikut

a. Besar hambatan dari suatu semikonduktor dipengaruhi oleh suhu. b. Semakin besar suhu atau temperatur, maka elektron semakin mudah bergerak dan

memindahkan energi sehingga meningkatkan nilai konduktivitas semikonduktor dan memperkecil nilai hambatannya.

c. Besar hambatan dari suatu semikonduktor tidak dipengaruhi oleh besar tegangan dari sumber tegangan.

d. Hukum Ohm tetap berlaku pada bahan semikonduktor, tetapi besar nilai hambatan jenisnya mengikuti persamaan:

e. Bahan semikonduktor mempunyai koefisien temperatur negatif sehingga semakin tinggi temperatur makin rendah harga hambatan listriknya.

IX. Daftar Pustaka Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engineers, Third Edition, Prentice Hall, NJ,

2000. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.

P.A., Tipler. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik.(Terjemahan Ed.3 Jilid. 2). Jakarta Erlangga.