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)

Universitas Indonesia

I. Tujuan

Melihat karakteristik hubungan beda potensial (V) dengan arus listrik (I) pada

suatu semikonduktor

II. Peralatan

- Bahan semikonduktor

- Amperemeter

- Voltmeter

- Variable power supply

- Camcorder

- 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 10-3

Ωm 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

energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi

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= AoT

3∈-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)

Σ = daya hantar listrik

ρ = tahan jenis

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

konsentrasi atom donor dinyatakan dengan ND maka berlaku :

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

bermuatan positif maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor

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

adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol

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

2. Memberikan beda potensial dengan memberi tegangan V1.

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:

V1

V2

V3

V4

V I

0.40 3.26

0.40 2.93

0.40 2.93

0.40 2.93

0.40 2.93

V I

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

0.91 7.17

V I

1.36 10.75

1.36 10.75

1.36 11.08

1.36 10.75

1.36 11.08

V I

1.87 14.99

V5

V6

V7

V8

VI. Pengolahan Data

1.87 14.99

1.87 15.31

1.87 15.31

1.87 15.31

V I

2.25 18.90

2.25 18.90

2.25 18.90

2.24 19.22

2.24 19.22

V I

2.83 24.44

2.83 25.09

2.83 24.76

2.82 25.09

2.82 25.74

V I

3.16 28.35

3.16 28.02

3.15 28.67

3.14 29.00

3.14 29.00

V I

3.63 33.89

3.62 34.54

3.61 35.19

3.60 35.19

3.59 35.84

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

semikonduktor

i Xi Yi Xi2 Yi

2 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 =

=

Grafik Hubungan antara V dan I

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

ke dalam persamaan hukum ohm. Hukum ohm menyatakan bahwa “Kuat arus

yang mengalir melalui penghantar sebanding dengan beda potensial pada

kedua ujung penghantar”.

V = I R

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

0 8

Hubungan V dan I

Y-Values

Linear (Y-Values)

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

konduktansinya yang dapat diubah dengan mencampurkan materi lain.

- 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

staff.uny.ac.id/system/files/pendidikan/..../Bahan%20Semikonduktor.pdf