BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Efek Fotolistrik

Pada tahun 1899 J.J Thomson menemukan bahwa pada beberapa kondisi

elektron terpancar dari permukaan logam ketika diberikan radiasi

elektromagnetik. Gejala ini sebenarnya pernah ditemukan sebelumnya oleh dua

orang ilmuwan yaitu H. Hertz 1887 yang menemukan adanya partikel bermuatan

yang lepas dari permukaan logam saat dikenai berkas cahaya, pada saat itu Hertz

belum bisa menjelaskan mengenai partikel bermuatan tersebut. Ilmuwan lainnya

adalah Lenard yang pada 1898 menemukan bahwa muatan dan massa partikel

yang terpancar dari logam tersebut mirip dengan muatan dan massa elektron.

Fenomena ini kemudian dikenal dengan peristiwa Efek Fotolistrik. Tiga tahun

kemudian yaitu 1902 P. Lenard mempelajari bahwa saat keluar dari logam

elektron memiliki kecepatan tertentu serta energi yang dimiliki elektron ini tidak

bergantung pada intensitas cahaya. Ini adalah hal yang tidak diduga sebelumnya.

Peningkatan intensitas hanya mengakibatkan meningkatnya jumlah elektron yang

teremisi, dan sama sekali tidak mengubah energi elektron1). Dia juga menemukan

bahwa energi maksimum elektron sangat bergantung pada panjang gelombang

cahaya, dan jika panjang gelombang lebih pendek (frekuensi cahaya yang lebih

besar) akan menghasilkan energi maksimum elektron yang lebih besar.

Fenomena ini tentunya merupakan kenyataan yang sulit dijelaskan oleh

konsep Fisika Klasik yang memandang cahaya sebagai sebuah gelombang

elektromagnetik (Maxwell). Beberapa hal dari peristiwa efek fotolistrik ini yang

tidak dapat dijelaskan dengan tinjauan Fisika Klasik adalah:

1. Kenyataan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang teremisi tidak

bergantung pada intensitas cahaya yang terpancar. Dalam teori Maxwell

tentang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, energi gelombang akan

berbanding lurus dengan intensitas, artinya saat intensitas cahaya ditingkatkan

maka energi gelombang cahaya pun akan semakin besar. Dalam peristiwa efek

fotolistrik hal ini menyebabkan elektron akan menyerap energi semakin

banyak sehingga energi kinetik elektron semakin besar. Tetapi pada

kenyataannya gejala ini tidak ditemukan dalam peristiwa efek fotolistrik.

2. Adanya hubungan linier antara besar energi kinetik elektron dengan frekuensi

cahaya. Dalam teori Fisika Klasik dikatakan bahwa energi suatu gelombang

berbanding lurus dengan kuadrat frekuensinyal, sehingga menurut teori ini

semestinya ketika frekuensi cahaya yang dipancarkan ditingkatkan secara

linier maka energi cahaya yang diserap elektron pun akan meningkat secara

kuadratik. Tetapi kenyataannya energi kinetik maksimum elektron dalam

peristiwa efek fotolistrik memiliki hubungan yang linier terhadap frekuensi

cahaya.

3. Proses pelepasan elektron dari logam dengan selang waktu yang relatif

spontan, hampir tidak ada selang waktu, yaitu membutuhkan waktu kurang

dari 10-9 detik antara proses penyinaran dengan lepasnya elektron dari logam.

Apabila kita memandang cahaya sebagai gelombang, maka kita akan

memahami bahwa proses pelepasan elektron dari logam adalah diawali dengan

proses penyerapan energi gelombang melalui vibrasi, sehingga semestinya

peristiwa elektron yang terpancar dari logam bukanlah peristiwa yang spontan.

Semua misteri ini kemudian mulai terjawab ketika Einstein, 1905,

memperkenalkan mengenai sifat cahaya sebagai partikel diskrit yang memiliki

energi sebesar E = h? dengan ?

dalah frekuensi cahaya. Sehingga dengan teori ini,

peristiwa efek fotolistrik tidak lagi dijelaskan sebagai interaksi gelombang dengan

partikel tetapi merupakan interaksi partikel dengan partikel. Yaitu partikel cahaya

dengan elektron pada logam. Partikel cahaya ini kemudia dikenal sebagai foton,

yaitu partikel yang merupakan paket energi cahaya.

Jadi sekarang dapat difahami bahwa energi foton yang diserap elektron ini

digunakan elektron untuk ‘membebaskan’ diri dari atom sehingga dia terlepas dari

atom dan bergerak dengan sisa energi yang dimilikinya. Pernyataan ini secara

matematis dapat ditulis dengan cara berikut:

kinetikofoton EWE 2-1

Ko Ehh 2-2

Dimana ohW0 energi ambang logam emiter,

h = konstanta Planck = 6,63.10-34Js

? = frekuensi cahaya dan

?o = frekuensi ambang, yaitu frekuensi minimum cahaya agar elektron

dapat terlepas dari logam.

Dari persamaan ini dapat kita lihat hubungan linier antara energi kinetik

elektron dengan frekuensi cahaya yang dalam uraian di atas tidak dapat dijelaskan

dengan teori Fisika Klasik.

Einstein sangat terkenal dengan teori relativitasnya, tetapi justru berhasil

mendapatkan hadiah Nobelnya pada tahun 1921 karena penelitiannya tentang efek

Fotolistrik. Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek fotolistrik ini

pada tanggal 17 Maret 1905 dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik.

Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah

kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia memberikan argumentasi

bahwa proses-proses seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi

sinar katoda, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi

secara kontinyu2).

Penemuan teori efek fotolistrik ini ternyata menjadi latar belakang lahirnya

fisika modern yang memiliki beberapa ketidaksesuaian dengan asumsi-asumsi

fisika yang selama itu diyakini kebenarannya. Salah satunya adalah teori Maxwell

yang berhasil memadukan fenomena listrik-magnet hingga sampai pada

kesimpulan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Selanjutnya adalah

Robert Millikan, setelah 11 tahun kemudian yaitu 1916 akhirnya berhasil

membuktikan hipotesis Einstein. Bersamaan dengan itu Einstein

mempublikasikan papernya berjudul Teori Kuantum Cahaya yang menjelaskan

proses emisi dan absorpsi paket cahaya dalam molekul, serta menghitung peluang

emisi spontan dan emisi yang diinduksi yang selanjutnya dikenal sebagai

koefisien Einstein A dan B. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan

secara teoretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur

Compton berhasil membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya

tersebut dengan bantuan teori relativitas khusus. Selain itu, ide Einstein ini juga

memicu Louis de Broglie menelurkan konsep gelombang materi. Konsep ini

menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelombang

dengan panjang gelombang berbanding terbalik terhadap momentumnya.

Sederhananya, ide de Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua

ide ini selanjutnya membantu melahirkan mekanika kuantum melalui persamaan

Schrodinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik2).

2.2 Peristiwa Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifat-sifat konduksi listrik di

dalam material karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain.

Efek ini mengakibatkan terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam

semikonduktor, atau pancaran elektron bebas dan ion yang tertinggal di dalam

metal. Fenomena pertama dikenal sebagai efek fotolistrik internal, sedangkan

fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal2).

Ketika cahaya menumbuk permukaan suatu logam, hal ini dapat

membebaskan elektron dari permukaan logam tersebut. Peristiwa ini kita kenal

sebagai efek fotolistrik.

Gambar II.1 Proses pelepasan elektron dari atom setelah menerima energi foton Ketika foton ditembakan kepada sebuah atom maka energi foton tersebut akan diserap elektron sehingga elektron tersebut mempunyai energi untuk melepaskan diri dari atom

Seperti dijelaskan diatas, bahwa energi maksimum yang dimiliki elektron

sangat bergantung pada panjang gelombang cahaya yang kita gunakan. Semakin

kecil panjang gelombang berarti semakin besar energi foton, maka energi kinetik

elektron pun semakin besar. Tetapi hal ini sama sekali tidak mempengaruhi pada

berapa banyak jumlah elektron yang teremisikan. Yang cukup menarik juga

adalah, jika panjang gelombang ini tidak cukup pendek untuk nilai tertentu, maka

tidak akan satu elektron pun yang dapat lepas dari permukaan logam. Seperti

ditunjukan oleh gambar 2 berikut.

Gambar II.2 Energi kinetik elektron berkaitan dengan panjang gelombang foton Pada nilai panjang gelombang yang besar maka tidak ada elektron yang lepas. Kecepatan elektron (sebanding dengan energi kinetik) semakim besar saat lamda semakin pendek.

Energi foton yang menumbuk permukaan logam (emiter) akan diserap

elektron valensi logam dan digunakan untuk melepaskan diri kemudian bergerak

dengan sisa energi yang didapatkannya. Sehingga dapat dinyatakan seperti dalam

persamaan 2-1 diatas.

kinetikofoton EWE

Dengan oW adalah energi ambang (fungsi kerja logam/energi ikat elektron valensi

terhadap atom). Dapat juga dinyatakan dengan persamaan 2-2.

Ko Ehvhv

h adalah konstanta Planck yang dari literatur sudah diketahui melalui percobaan

efek fotolistrik yang sudah dilakukan adalah sebesar 6,626x10-34Js. Nilai

konstanta ini dapat kita hitung dengan melakukan percobaan menggunakan

rangkaiannya akan dibuat dalam Tugas Akhir ini. Dalam ungkapan lain dapat

ditulis dalam persamaan:

Ko

Ehchc

2-3

Secara umum kita akan mendapat grafik sebagai berikut:

Gambar II.3 Grafik Energi Kinetik terhadap frekuensi

Energi kinetik elektron yang teremisi memiliki hubungan linier terhadap frekuensi foton

)(JouleEKinetik

hEKinetik

0 ?o ?(Hz)

oW

2.3 Light Emitting Diode (LED)

Light Emitting Diode (LED) adalah semikonduktor yang memancarkan

cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Seperti

layaknya dioda biasa, sebuah LED terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor

yang diisi penuh dengan ketidakmurnian untuk menciptakan struktur yang disebut

p-n junction. Pembawa muatan elektron dan hole mengalir ke junction dari

elektroda dengan tegangan berbeda. Ketika elektron bertemu dengan hole maka

elektron akan turun ketingkat energi yang lebih rendah sambil memancarkan

energi.

Bahan semikonduktor adalah bahan yang memiliki sifat konduksi antara

konduktor dan insulator. Perbedaan sifat konduksi ini bergantung pada keadaan

ikatan antara atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul tersebut. Dan ikatan-

ikatan ini sangat dipengaruhi jumlah elektron valensi atom penyusunnya. Unsur

yang paling sering digunakan untuk menggambarkan keadaan mikroskopik suatu

semikonduktor adalah silikon.

Gambar II.4 Ikatan kovalen pada Silikon Silikon merupakan unsur golongan IVA (mempunyai 4 elektron valensi) dan berikatan kovalen antar masing-masing atomnya.

Ketika elektron mendapatkan energi thermal atau energi dari sebuah foton,

maka dia akan melepaskan diri dari ikatan inti dan berperan sebagai elektron

bebas pambawa muatan negatif serta meninggalkan hole yang dapat kita sebut

sebagai pembawa muatan positif. Dalam keadaan seperti ini muatan unsur secara

keseluruhan tidak berubah (tetap netral).

Untuk mendapatkan pembawa muatan yang lebih banyak lagi dalam

sebuah unsur, maka biasanya kita mencampur bahan silikon ini dengan unsur lain,

yang kemudian semikonduktor ini kita sebut semikonduktor ekstrinsik, terdiri dari

type n dan type p. Untuk mendapat semikonduktor tipe n dilakukan dengan cara

mencampur silikon dengan atom yang memiliki 5 elektron valensi (disebut atom

donor).

Gambar II.5

Semikonduktor tipe n

Dengan adanya sisa elektron yang bebas ini mengakibatkan semakin

banyaknya pembawa muatan negatif, sehingga semikonduktor tipe ini disebut

semikonduktor tipe n.

Sedangkan untuk mendapat semikonduktor tipe p, silikon biasanya

dicampur dengan atom yang memiliki 3 elektron valensi (disebut atom aseptor).

Hal ini mengakibatkan munculkan hole sebagai pembawa muatan negatif.

Gambar II.6

Semikonduktor tipe p

. Karena atom aseptor ini hanya memiliki 3 elektron valensi, maka

ketika berikatan dengan silikon akan menyisakan elektron yang tidak

berpasangan, dan mengakibatkan munculnya hole sebagai pembawa

muatan positif.

LED merupakan komponen elektronik penghasil cahaya yang dihasilkan

dari elektron yang bergerak mengisi hole. Bagian katoda pada LED dibuat dari

semikonduktor tipe n dan bagian anoda dibuat dari semikonduktor tipe p. Pada

saat katoda diberi arus negatif maka elektron akan begerak dari katoda mengisi

hole pada anoda sambil memancarkan energi berupa foton. Energi foton yang

dipancarkan bergantung pada tingkat energi elektron yang berkaitan dengan jenis

unsur yang kita gunakan. Dengan demikian perbedaan unsur yang digunakan

sebagai semikonduktor akan berpengaruh pada panjang gelombang cahaya yang

dipancarkan. Dan untuk spektrum cahaya tampak perbedaan panjang gelombang

ini akan terlihat dari perbedaan warna cahaya yang dipancarkan.

Gambar II.7 Pita energi dalam semikonduktor Dalam semikonduktor pita valensi dan pita konduksi memiliki beda energi yang tidak terlalu besar, sehingga pada saat diberi arus positif dengan mudah elektron akan turun ke tingkat energi lebih rendah sambil memancarkan energi berupa foton.

Rangkaian Light Emitting Diode (LED)

Dalam membuat rangkaian LED ada beberapa hal yang harus diperhatikan:

1. Kaki positif dan negatif LED

Kaki-kaki pada LED harus dihubungkan dengan cara yang benar. Kaki

katoda harus kita berikan tegangan negatif sementara anoda kita pasang pada

tegangan positif. Untuk membedakan kaki anoda dan katoda dapat dilakukan

dengan cara sebagai berikut:

Gambar II.8 Skema LED

Anoda memiliki kaki yang lebih panjang dari katoda.

Kaki yang panjang adalah kaki anoda sedangkan kaki yang lebih pendek

adalah kaki katoda. Cara lain untuk membedakan kaki anoda dan katoda adalah

dengan melihat ukuran logam kedua elektroda ini. Biasanya ukuran logam katoda

lebih besar daripada anoda. Hal yang tidak kalah penting dalam pemasangan kaki-

kaki LED pada rangkaian adalah mengontrol suhu pada saat proses penyolderan,

karena apabila suhu telalu tinggi, hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada

LED.

2. Mengatur tegangan dan arus pada LED

Seperti dijelaskan diatas bahwa setiap LED dengan warna berbeda

biasanya membutuhkan besar tegangan (VL) yang berbeda-beda. Sehingga untuk

merangkai LED pada sumber tertentu dibutuhkan rangkaian seperti gambar

dibawah.

Gambar II.9 Merangkai LED

Resistor dalam rangkaian ini berfungsi untuk mengatur tegangan LED agar tidak melebihi nilai maksimum

Resistor R biasanya dipasang untuk

menyesuaikan tegangan yang terima

LED agar sesuai dengan tegangan

maksimum yang diperbolehkan. Untuk

menentukan besar resistor yang harus

dipasang digunakan persamaan berikut:

I

VVR LS

2-4

Dimana:

Vs = tegangan sumber

VL = tegangan maksimum LED yang diperbolehkan

I = besar arus LED (harus lebih kecil dari tegangan maksimum yang

diperbolehkan)

3. Rangkaian seri dan parallel untuk LED

Untuk menyalakan beberapa LED pada waktu yang bersamaan, disarankan

LED dipasang dalam rangkaian seri seperti pada gambar dibawah ini:

Gambar II.10 Rangkaian LED seri

Besar resistor disesuaikan dengan tegangan total semua LED

Hal ini memungkinkan setiap

LED mendapatkan besar arus yang

sama sehingga semua LED ini akan

menyala baik apabila LED-LED ini

merupakan type yang sama. Dan

tentunya sumber tegangan harus

memiliki nilai tegang yang mencukupu

semua LED.

Untuk menentukan besar resistor yang harus dipasang, dihitung dengan

persamaan diatas, tetapi besar VL dalam hal ini merupakan tegangan total yang

dibutuhkan oleh semua LED.

...321 LLLL VVVV 2-5

Merangkai beberapa LED dengan cara parallel dengan hanya memasang

satu resistor pada umumnya sangat tidak disarankan, karena dalam keadaan

seperti ini LED yang memiliki tegangan VL terkecil akan menyala dengan terang

kemudian terbakar disebabkan arus yang mengalir terlalu besar. Apabila yang

diperlukan rangkaian yang parallel maka masing-masing LED harus diberi

hambatan yang sesuai.

Gambar II.11 Rangkaian LED parallel

Dalam keadaan ini arus pada LED yang memiliki resistansi rendah akan mendapat arus terbesar sehingga dapat mengakibatkan kerusakan atau terang yang tidak merata