Laporan awal band gab
- 1. LAPORAN AWAL PRAKTIKUM EKSPERIMEN IIA BAND GAB GERMANIUM Nama : Ririn Fitriana NPM : 140310070010 Partner I : Paramita Dwi Mawanti NPM : 140310070005 Partner II : Yolla Sukma H NPM : 140310070042 Hari/Tgl Praktikum : Selasa/13 Oktober 2009 Asisten : Laboratorium Fisika Lanjutan Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran 2009
- 2. LEMBAR PENGESAHAN BAND GAB GERMANIUM Nama : Ririn Fitriana NPM : 140310070010 Partner I : Paramita Dwi M NPM : 140310070005 Partner II : Yolla Sukma H NPM : 140310070042 Hari/Tgl Praktikum : Selasa, 13 Oktober 2009 Waktu Praktikum : 10.00 Selesai Asisten : Nilai Jatinangor, 13 Oktober 2009 Asisten, (.)
- 3. INTISARI PERCOBAAN Semikonduktor adalah bahan yang memiliki sifat antara isolator dan konduktor. Celah terlarang (band gap) pada semi konduktor lebih sempit dari pada isolator sehingga apabila pada temperatur dinaikkan maka semikonduktor dapat menghantarkan arus listrik. Bahan-bahan yang mempunyai sifat semikonduktor umumnya memiliki konduktivitas listrik antara 10, dan energi gap lebih kecil dari 6 eV. Bahan Semikonduktor dapat berupa bahan murni atau bahan paduan. Germanium merupakan jenis semikonduktor yang sangat penting dalm elektronika. Terletak pada kolom empat dalam table periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur Kristal germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya. Konduktivitas bahan semikonduktor seperti germanium dipengaruhi oleh temperatur secara karakteristik. Berdasarkan rentang temperatur, konduktivitas dapat dibedakan menjadi konduktivitas ekstrinsik, Deplesi Impurity, dan Konduktivitas intrinsik.
- 4. BAND GAB GERMANIUM I. Tujuan Percobaan Menentukan energi sela germanium. II. Teori Dasar Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur tinggi bersifat sebagai konduktor. Bahansemi konduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan galium arsenide. Semikonduktor dapat diatur sedemikian rupa sehingga dapat bersifat sebagai konduktor dan dapat pula bersifat sebagai isolator. Pada suhu kamar, semikonduktor dapat bersifat sebagai penghantar arus listrik. Semakin besar suhu, maka akan semakin bagus pula sifatnya sebagai bahan konduktor. Hal ini disebabkan karena ketika suhu atau temperatur dinaikkan maka jarak antar pita valensi dan pita konduksi (band gap) akan semakin kecil, sehingga makin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Semikonduktor Intrinsik Semikonduktor instrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom- atom lain (atom pengotor). Semikonduktor jenis ini memiliki jumlah elektron dan hole (pembawa muatan positif) yang sama. Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan hole maupun elektron bebas. Elektron valensi pada germanium lebih mudah tereksitai termik menjadi elektron bebas dari pada elektron valensi pada atom silikon, hal ini berhubungan dengan adanya pita pita energi untuk elektron didalam kristal semikonduktor. Dalam atom bebas elektron hanya dapat mempunyai nilai energi tertentu saja. Dikatakan elektron hanya dapat berada pada tingkat energi tertentu dalam kristal semikonduktor oleh karena atom-atom terletak berdekatan didalam susunan yang berkala, maka elektron dapat berada pada pita-pita energi .Oleh adanya prinsip Larangan Pauli yang menyatakan bahwa tiap keadan orbital atom hanya dapat berisi dua buah elektron saja, maka untuk semikonduktor pita-pita enrgi yang bawah akan
- 5. terisi penuh hingga suatu pita energi tertentu. Oleh karena setiap atom mempunyai empat buah elektron valensi, maka ada satu pita energi yang terisi penuh dan pita energi berikutnya kosong. Semikonduktor Ekstrinsik Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawa muatan elektron). Semikonduktor intrinsik dapat diberi unsur tak murni tertentu sesuai dengan karakteristik listrik yang dikehendaki. Atom yang tidak murni yang bervalensi lebih tinggi dari atom semikonduktor murni akan befungsi sebagai donor elektron konduksi dan menghasilkan semikonduktor ekstrinsik jenisn. Atom tak murni yang bervalensi kurang dari atom semikonduktor murni akan berfungsi sebagai akseptor elektron atau penyumbang lubang konduksi dan menghasilkan semikonduktor ekstrinsik jenisp. Dalam semikonduktor jenisn ,elektron dalam pita konduksi merupakan pembawa mayoritas sedangkan dalam semikonduktor jenis-p pembawa mayoritas adalah hole dalam pita valensi. Sifat bahan Semikonduktor Bahan semikonduktor memiliki sifat hantaran listrik yang khusus, sangat berlainan dengan bahan konduktor. Apabila logam-logam konduktor dipanaskan, maka hambatan jenisnya bertambah secara linier dengan koefisien suhunya sangat kecil. Sebaliknya jika bahan semikonduktor dipanaskan, hambatan jenisnya akan berkurang. Hal ini disebabkan elektron-elektron pada pita valensi mendapatkan energi termik yang cukup untuk meloncat ke pita konduksi. Semakin tinggi temperatur akan semakin banyak elektron yang mendapatkan energi termik sehingga semakin banyak pula elektron-elektron yang loncat ke pita konduksi. Dalam pita konduksi ini elektron bergerak lincah sehingga dapat bertindak sebagai penghantar listrik yang baik. Oleh sebab itu, hambatan jenis bahan semikonduktor turun dengan cepat apabila terjadi kenaikan suhu. Selain melalui pemanasan, hambatan jenis pada bahan semikonduktor dapat juga diturunkan dengan memasukkan sedikit pengotor ke dalam bahan tersebut. Bahan
- 6. semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit pengotor ini disebut semikonduktor ekstrinsik. Jenis atom pengotor yang dimasukkan ke dalam semikonduktor ada dua jenis, yaitu atom pengotor yang memiliki kekurangan elektron (disebut atom akseptor) dan atom pengotor yang memiliki kelebihan elektron (disebut atom donor). Oleh sebab itu, ada dua jenis semikonduktor ekstrinsik karena perbedaan jenis atom pengotor yang dimasukkan ke dalamnya, yaitu semikonduktor tipe-p (positif) dan semikonduktor tipe-n (negatif). Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor yang dimasuki atom akseptor yang kekurangan elektron. Semikonduktor ini dibuat dari atom yang memiliki empat elektron pada orbit terluarnya, dimasuki atom pengotor yang memiliki tiga elektron pada orbit terluarnya. Misalnya atom germanium (Ge) yang memiliki empat elektron pada orbit terluarnya dicangkoki dengan boron (B) yang memiliki tiga elektron pada orbit terluarnya. Tiga elektron dari atom B melakukan ikatan kovalen dengan elektron-elektron valensi atom Ge, namun ada satu elektron dari atom Ge yang tidak mendapatkan pasangan sehingga menimbulkan lubang seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a). Masuknya atom B pada kristal Ge memungkinkan diturunkannya hambatan jenis atom Ge karena munculnya pita energi di dalam celah energi yang letaknya sedikit di atas pita valensi seperti ditunjukkan pada Gambar 1(b). Pita energi ini berisi lubang-lubang yang dapat menerima elektron sehingga disebut pita energi akseptor. Elektron-elektron dalam pita valensi lebih mudah loncat ke pita energi akseptor sehingga meninggalkan lubang-lubang pada pita valensi. Lubang yang terbentuk akibat loncatan elektron meninggalkan pita valensi ini dapat bertindak sebagai pembawa aliran listrik. Karena pembawa aliran listriknya bermuatan positif, maka bahannya disebut semikonduktor tipe-p.
- 7. Gambar 1 : Proses terbentuknya lubang sebagai pembawa aliran listrik pada semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor yang dimasuki atom donor yang kelebihan elektron. Semikonduktor ini dibuat dari atom yang memiliki empat elektron pada orbit terluarnya, dan dimasuki atom pengotor yang memiliki lima elektron pada orbit terluarnya. Misal atom germanium (Ge) yang memiliki empat elektron pada orbit terluarnya dicangkoki dengan arsen (As) yang memiliki lima elektron pada orbit terluarnya. Empat elektron dari atom As melakukan ikatan kovalen dengan elektron-elektron valensi atom Ge, namun ada satu elektron dari atom As yang tidak mendapatkan pasangan sehingga bersifat sebagai elektron bebas seperti ditunjukkan pada Gambar 2(a). Masuknya atom As pada kristal Ge memungkinkan diturunkannya hambatan jenis atom Ge karena munculnya pita energi di dalam celah energi yang letaknya sedikit di bawah pita konduksi seperti ditunjukkan pada Gambar 2(b). Pita energi ini berisi elektron-elektron bebas sehingga disebut pita energi donor. Beda energi antara pita energi donor dan pita konduksi ini sangat kecil, kira-kira hanya 0,05 eV. Sedang pencangkokan atom donor phosphor (P) ke dalam silikon dapat menurunkan energi pemisah pita hingga mencapai 0,045 eV. Oleh sebab itu, elektron- elektron dalam pita energi donor lebih mudah loncat ke pita valensi dan dapat bertindak sebagai pembawa aliran listrik. Karena pembawa aliran listriknya bermuatan negatif, maka bahannya disebut semikonduktor tipe-n.
- 8. Gambar 2 : Proses terbentuknya elektron bebas sebagai pembawa aliran listrik pada semikonduktor tipe-n. Konduktivitas Konduktivitas adalah kemampuan bahan untuk membawa arus listrik. Konduktivitas bahan yang memiliki resistivitas dan panjang l serta luas penampang A didefinisikan sebagai : 1 l I = = AV Dimana I adalah arus dan V adalah tegangan. Konduktivitas bahan semikonduktor seperti germanium dipengaruhi oleh temperatur secara karakteristik. Berdasarkan rentang temperatur, konduktivitas dapat dibedakan sebagai berikut : 1. Konduktivitas ekstrinsik Pada temperatur rendah yang terjadi adalah konduktivitas ekstrinsik. Pada rentang ini kenaikan temperatur menyebabkan pembawa muatan dari impuriti teraktivasi. 2. Deplesi Impurity Pada rentang ini, kenaiakan temperatur tidak lagi menghasilkan aktivasi impurity dan konduktivitas konstan. 3. Konduktivitas intrinsik Pada temperatur tinggi pembawa muatan intrinsik mendominasi proses konduksi. Pada rentang ini tambahan pembawa muatan diperoleh dari hasil eksitasi termal dari pita valensi ke pita konduksi. Ketergantugan terhadap temperatur dalam kasus ini dinyatakan dalam fungsi eksponensial Eg = 0 exp 2kT Eg adalah energi gap, k adalah konstanta Boltzman dan T adalah temperatur absolute. Logaritma dari persamaan ini : Dengan y = ln dan x = 1/T ; sebuah persamaan linear pada dimana
- 9. merupakan kemiringan dari garis lurus. Dengan mengukur konduktivitas sebagai fungsi temperatur, energi gap germanium dapat ditentukan. III. Hipotesis Bagaimana kita dapat mengetahui pengaruh suhu terhadap bahan semikonduktor, seperti pada suhu yang rendah dan juga pada suhu kamar. Dan dengan mengukur konduktivitas sebagai fungsi temperatur, kita dapat menentukan energi gap dari germanium. IV. Kerangka Pemikiran Bahan semikoduktor akan bersifat isolator pada suhu rendah, dan akan bersifat konduktor pada suhu yang tinggi. Arus tegangan akan berubah sesuai dengan perubahan suhu, semakin besar suhu yang diberikan maka konduktivitas dari bahan juga akan meningkat. V. Metode Eksperimen Alat dan Bahan Percobaan : Hall effect module dengan sample Ge : 20x10x1 mm3 Hall effect, undot Ge, carrier board Power Supply 0-12 V DC/6 V, 12 V AC Tripod base PASS- Support rod PASS-, square, 1 = 250 mm Right angle clamp PASS- Connecting cord, 1 = 500 mm, black Cobra 3 Basic Unit Power Supply universal, 12 V
- 10. Prosedur Percobaan : Metode 1 (Menggunakan Cara Manual) a. Memasang sample pada modul efek Hall b. Menyusun peraatan seperti gambar 1 pada modul. c. Menghubungkan modul efek Hall dengan power supply, 12 V melalui AC input di bagian belakang modul d. Menghubungkan Voltmeter melalui soket bagian atas sisi depan modul. e. Menekan tombol selektor display untuk menunjukkan display arus dan putar rotary switch sampai menunjukkan arus 5 mA. f. Menekan kembali tombol selektor display untuk menunjukkan display temperature. g. Menyalakan pemanas di belakang modul, mengatur mulai dari temperatur rendah (temperatur kamar). h. Memulai mencatat nilai arus dan tegangan yang melalui sampel Ge untuk setiap kenaikan temperatur 30C sampai temperatur maksimum 1700C (pemanas dalam keadaan off).
- 11. i. Melakukan pencatatan nilai arus dan tegangan yang melalui sampel Ge untuk setiap penurunan temperatur 30C dari temperatur maksimum 1700C (pemanas dalam keadaan off). j. Mengulang mulai dari prosedur (e) untuk arus koil 5,2 mA ; 5,4 mA ; 5,6 mA ; dan 5,8 mA. Metode 2 (Menggunakan Cobra-3) a. Memasang sample pada modul efek hall. b. Menyusun peralatan seperti gambar 2 pada modul. c. Menghubungkan modul efek hall dengan power supply 12 V d. Menghubungkan modul dengan cobra 3 basic unit. e. Menghubungkan rangkaian dengan PC melalui RS-232 output port pada Cobra unit, start program pengukuran efek hall (Cobra 3 hall effect). f. Melakukan prosedur (e) sampai (j) pada metode 1.
- 12. Daftar pustaka 1. www.google.com 2. Http://id.wikipedia.org/wiki/semikonduktor 3. Http://www.its.ac.id/endi/semikonduktor.html 4. Petunjuk Praktikum Fisika Eksperimen IIA, Laboratorium Fisika Lanjutan, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran, Jatinangor, 2008