53489497 awal band gap dita

Laporan Praktikum Band Gap Germanium

BAND GAP GERMANIUM

- P2 -

I. Latar Belakang

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas

listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Tentunya

bahan semikonduktor ini mempunyai energi band yang berbeda

dari bahan yang lainnya (isolator dan konduktor). Perbedaan

energi pada pita terlarang ini dipengaruhi oleh sifat dasar dari

bahan itu dan struktur atom/populasi atom menempati ruang

pada bahan itu. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal

adalah silikon, germanium, galium arsenide. Germanium adalah

salah satu bahan yang digunakan untuk membuat bahan

komponen semikonduktor.

II. Identifikasi Masalah

Pada praktikum kali ini banyak permasalahan menarik dan perlu

diteliti baik perumusan maupun pendekatannya. Ada beberapa

permasalahan utama yang perlu diteliti, yaitu:

1. Bagaimana sifat hantaran listrik pada bahan

semikonduktor khususnya Germanium.

2. Bagaimana hubungan struktur pita energi pada bahan

semikonduktor dengan konduktivitas bahan.

3. Apa saja faktor-faktor yang mempengaruhi konduktivitas

pada bahan semikonduktor.

III.Tujuan Eksperimen

Menentukan energi sela germanium

Anindita Sekar Arum - 140310080059 1


IV. Tinjauan Pustaka

Semikonduktor adalah bahan yang memiliki sifat antara

isolator dan konduktor .Celah terlarang (band gap ) pada

semikonduktor lebih sempit dari pada isolator sehingga apabila

pada temperatur dinaikkan maka semikonduktor dapat

menghantarakan arus listrik. Jika sifat tersebut kita gambarkan

maka akan terbentuk deretan pita yang ada di bawah , yang

menunjukan perbedaan jarak celah antara konduktor, isolator,

dan semikonduktor.

Beberapa jenis bahan Semikonduktor dan nilai celah

energinya diberikan pada tabel 1.1

Tabel 1.1. Bahan semikonduktor dan nilai energi gap.

Selain bahan semikonduktor komersial, masih terdapat

bahan semikonduktor lain yang oleh karena masalah teknis

sintesisnya dan juga masih dalam taraf penelitian dan

pengembangan, bahan tersebut belum dipakai secara luas.

Bahan-bahan yang bersangkutan adalah bahan semikonduktor

oksida dan bahan polimer. Contoh bahan oksida antara lain :

CuO, ZnO, Ag2O, PbO, Fe2O3, dan son. Ditinjau dari jenis

pembawa muatan yang menghantarkan listrik di dalamnya,



bahan semikonduktor dapat dibedakan menjadi bahan

semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Bahan semikonduktor

intrinsik merupakan bahan semikonduktor yang tidak

mengandung atom-atom takmurnian (impuritas), sehingga

hantaran listrik yang terjadi pada bahan tersebut adalah elektron

dan lubang (hole). Sedangkan pada bahan semikonduktor

ekstrinsik, karena mengandung atom-atom pengotor, pembawa

muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja.

1. Semikonduktor Intrinsik (murni)

Elektron valensi pada bahan logam tidak terikat dengan

kuat dengan atom induknya sehingga dengan medan listrik yang

relatif kecil sudah cukup untuk membebaskan mereka menjadi

elektron bebas (elektron konduksi). Karenanya pita velensi

(valence band) dan pita konduksi (conduction band) pada

diagram energi logam digambarkan tumpang tindih (overlap).

Sedangkan pada isolator terdapat ikatan antar atom yang sangat

kuat sehingga diperlukan energi yang cukup besar (> 3 eV)

untuk membebaskan sebuah elektron. Pada diagram energi, pita

valensi dan pita konduksi terpisahkan oleh energi gap (forbidden

gap). Semua keadaan energi (energy states) pita valensi pada

isolator terisi oleh elektron dan terjadi kekosongan pada semua

keadaan energi pita konduksi .


Gambar 2 : Unit sel face centered dari silikon


Pada semikonduktor, ikatan kovalen antar atom tidaklah

terlalu kuat. Pada temperatur nol mutlak (T = 0K), semua

elektron terikat dengan atom induknya. Dalam hal ini tidak

terdapat adanya elektron bebas yang dapat mengalirkan arus

listrik. Pada diagram energi semua keadaan pada pita valensi

terisi dan terjadi kekosongan pada pita konduksi. Gambar 1.1

memperlihatkan unit sel dari kristal semikondukstor silikon.

Setiap atom silikon terikat dengan atom-atom tetangga

terdekatnya dan memakai empat elektron valensi secara

bersama membentuk sebuah ikatan kovalen.

Gambar 3 a). Penyederhanaan kristal silikon dalam dua dimensib). Sebuah atom silikon dengan empat buah elektron valensi

Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen

adalah sebesar 1,1eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium.

Pada temperatur ruang (300K),sejumlah elektron mempunyai

energi yang cukup besar untuk melepaskan diri darikatan dan

tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron

bebas (gambar 6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk



melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi ini disebut

energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen

terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada

daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan

muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron bebas

mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang

memberikankontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor

murni. Jika elektron valensi dari ikatan kovalen yang lain mengisi

lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di tempat yang

lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang

yang lama ke lubang baru.

Di atas suhu nol mutlak, getaran kisi dapat mengakibatkan

terputusnya ikatan kovalen. Elektron yang terlepas pada ikatan

yang terputus ditandai dengan sebuah

lubang (hole) yang merupakan pambawa muatan positip.

Elektron valensi dari atom tetangganya dapat melompat ke

tempat yang kosong tersebut, menyebabkan terjadinya proses

konduksi listrik pada semikonduktor. Proses terjadinya elektron

bebas disebut terbangkitnya pasangan elektron lubang

(electronhole pair generation).

Gambar 4. Generasi dan rekombinasi pasangan elektron lubanga) dalam kisi dua dimensib) dalam diagram energi



Proses aliran muatan ini, yang biasa disebut sebagai “arus

drift” dapat dituliskan sebagai berikut “Peristiwa hantaran listrik

pada semikonduktor adalah akibat adanya dua partikel masing-

masing bermuatan positif dan negatif yang bergerak dengan

arah yang berlawanan akibat adanya pengaruh medan listrik”

Akibat adanya dua pembawa muatan tersebut, besarnya rapat

arus dinyatakan sebagai:

Karena timbulnya lubang dan elektron terjadi secara

serentak, maka pada semikonduktor murni, jumlah lubang sama

dengan jumlah elektron atau dituliskan

sebagai:

dimana i n disebut sebagai konsentrasi intrinsik. Beberapa

properti dasar silikon dan germanium diperlihatkan pada tabel

6.1.

2. Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)



Kita dapat memasukkan pengotor berupa atom-atom dari kolom

tiga atau lima dalam

tabel periodik (memberi doping) ke dalam silikon atau

germanium murni (lihatgambar 6.3). Elemen semikonduktor

beserta atom pengotor yang biasa digunakan diperlihatkan pada

tabel 6.3.

2.1 Semikonduktor tipe-n

Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan

sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus

atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor (dopan) ini

mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif

memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen

menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat

elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap,

dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat

gambar 6.3).

Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini

akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan

dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari



proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena

menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral.

Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom

pengotor ini disebut sebagai atom donor. Secara mskematik

semikonduktor tipe-n digambarkan seperti terlihat pada gambar

5.

(a)

(b)

Gambar 5 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi

lima

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi

semikonduktor tipe-n, perhatikan letak tingkat energi atom donor.

2.2 Semikonduktor tipe-p

Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-

n, semikonduktor tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan

sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron, alium

atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.

Atom-atompengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi

sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan

kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi atom

silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap,

dan tersisa sebah muatan positif dari atom silikon yang tidak



berpasangan (lihat gambar 6.4) yang disebut lubang (hole).

Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut

semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan

negatif pada kristal yang netral. Karena atom pengotor

menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai

atom aseptor (acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p

digambarkan seperti terlihat pada gambar 6.

(a)

(b)

Gambar 6 a) Struktur kristal silikon dengan sebuah atom pengotor valensi tiga

menggantikan posisi salah satu atom silikon dan b) Struktur pita energi

semikonduktor tipe-p, perhatikan letak tingkat energi atom aseptor.

Dalam fisika zat padat yang berhubungan denga aplikasi

medan ,band gap biasa disebut energi gap atau stop band

adalah daerah dimana partikel tidak dapat bergerak . Pada

bahan semi konduktor band gap jaraknya lebih sempit antara

pita valensi dan pita konduksi.

Dalam semi konduktor dan isolator elektron dibatasi pada

tingkatan tingkatan dari pita energi dan terlarang untuk energi



yang berbeda .Sehingga band gap sendiri dapat diartikan

perbedaan energi antar permukaaan dari pita valensi dan bagian

dasar dari pita konduksi dimana elektron bisa melompat dari

satu pita kepita ynag lain. Dimana pada pita ada yang terisi

elektron ada yang kosong[3].

Konduktifitas dari semi konduktor bergantung pada

kekuatan dari band gap.Perpindahan elektron atau konduktifitas

bisa terjadi saat semi konduktor memiliki temperatur yang cukup

untuk berpindah

Perhitungan dari band Gap.

ENERGI GAP

Pada semikonduktor murni, pembawa muatan hanya

terbentuk dari pasangan elektron-lubang, karenanya konsentrasi

elektron sama dengan konsentrasi lubang. Jika fungsi rapat

keadaan pada pita konduksi simetris dengan fungsi rapat

keadaan pada pita valensi, maka distribusi elektron pada pita

konduksi akan merupakan “bayangan” dari distribusi lubang

pada pita valensi dengan bidang cermin berada pada pusat

energi gap.

Energi gap diperoleh secara matematis dari konduktivitas bahan.

Dimana : Eg = energy gap, k = Boltzmann's constant, dan T =

temperatur.

Maka :



Sehingga energi gapnya adalah :

Grafik di bawah ini menerangkan konduktivitas bahan terhadap

Temperatir.

Kemungkinan untuk sebuah energi (Eo) akan ditemapati

oleh eletron dapat digunakan hukum fermi dirac.Dengan

memperkirakan E0 > > EF, EF adalah energi fermi. Sehingga Konduktifitas

dapat dirumuskan ( ):

Dimana: e fungsi eksponensial

Eg adalah energi gap

k adalah Konstanta bolzman

T adalah temperatur

Konduktifitas dipengaruhi oleh lebarnya band gap .Diman lebar

band gap bergantung pada bahan pembentuk semi konduktor itu

sendiri atau resistifistik bahan:

Dimana : l : panjang bahan yang diujikan

A : luas penampang


http://en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann's_constant


I : arus

V : tegangan

V. Hipotesis

Energi gap dari tiap bahan semikonduktor berbeda-beda,

untuk bahan germanium memiliki energi gap 0.66 eV.

VI. Metode Percobaan

Pada percobaan ini kita menggunakan metode efek hall.

Dari sini akan diperoleh yang namanya tegangan hall dimana

tegangan hall ini timbul karena pada lempeng semikonduktor

diberi arus listrik sehingga hal ini menyebabkan adanya arus

elektron dan hal ini menyebabkan distribusi elektron yang tidak

merata. Pengukuran tegangan hall ini diukur dengan beberapa

variasi suhu dan diukur untuk tiap penaikan dan penurunan

suhu.

Alat – Alat Percobaan

1. Hall effect module

2. Hall effect undot-Ge carrier board

3. Power supply 0-12 V DC 6 V 12 V AC

4. Tripod base

5. Support rod square l=250 mm

6. right angle clamp

7. connecting cord, l=500mm

8. Cobra3 Basic Unit

9. Power Supply universal 12V

Opsi:

1. Pengukuran dengan komputer



- cobra3 Software Hall

- RS 232 data cable

- PC, Windows 95 or higher

2. Pengukuran manual

- Voltmeter 0,3-300 V DC, 10-300 V AC atau osiloskop

Prosedur Percobaan

1. Merangkai alat seperti pada gambar

2. Memasukan smapel tes yang terpasangpada PCB

melalui slot yang tersedia ke Modul Efek Hall.

3. Menghubungkan Modul ke sumber tegangan 12 V AC.

4. Menghubungkan voltmeter melalui soket bagian atas

sisi depan Modul.

5. Menekan tombol selektor display untuk menunjukkan

dispay arus dan memutar rotary switch untuk mengeset

arus sebesar 4 mA.

6. Menekan kembali tombol selektor display untuk

menunjukkan display temperatur.

7. Memulai pengukuran setelah menekan switch pemanas

koil dibagian belakang Modul.



8. Mengamati dan mencatat perubahan tegangan pada

volt meter berdasarkan penaikkan temperatur setiap 30

C.

9. Pengukuran akan berhenti secara otomatis setelah suhu

koil mencapai 1700 C.

10. Mengamati dan mencatat perubahan tegangan

voltmeter berdasarkan penurunan temperatur setiap 30

C .

11. Mengulangi untuk arus koil 5 mA dan 6 mA.

Daftar Pustaka

Krane, kenneth.1982. Fisika Modern. Oregon: John willey & Sons,

Inc


53489497 awal band gap dita

Documents