BAND GAP SEMIKONDUKTOR

Albert Agung Yohanes Hutapea (140310120034)

Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran

10 Oktober 2014

Abstrak

Semikonduktor merupakan bahan yang dapat bersifat sebagai konduktor dan isolator. Hal

ini bergantung terhadap suhu yang diberikan pada bahan. Energi gap merupakan energi yang

dibutuhkan elektron untuk bertransisi dari pita valensi ke pita konduksi. Pada bahan

semikonduktor besarnya energi gap tidak terlalu besar sehingga elektron dapat mudah untuk

bertransisi. Germanium (Gr) merupakan bahan semikonduktor yang kita cari besar band gap

energinya dalam percobaan ini. Dalam mencari besar band gap energi (Eg), kita mencari besar

parameter- parameter yang mempengaruhi seperti arus, suhu, dan tegangan. Dengan

memvariasikan arus kami mencatat besar tegangan setiap selang suhu 3ºC. Setelah semua

parameter didapatkan terlebih dahulu dicari besar konduktivitasnya dan akhirnya didapatkan

besar band gap energi Germanium (Gr). Dari praktikum yang telah dilakukan didapatkan besar

band gap energi Germanium (Gr) sebesar 0.52. Hasil ini memiliki error sebesar 22.38 % dari

teori.

I. Pendahuluan

Karena semikonduktor merupakan bahan yang menjadi objek pengamatan pada praktikum

ini, maka terlebih dahulu kami harus mengetahui sifat dan karakteristik dari bahan semikonduktor.

Salah satu karakteritik semikonduktor adalah band gap energinya. Besar band gap energi lah yang

menentukan konduktivitas suatu bahan yang artinya apakah bahan tersebut dapat menghantarkan

elektron dengan baik atau tidak. Besar band gap energi ini menjadi dasar praktikum ini. Kami

mencari besar band gap Germanium (Gr) yang merupakan salah satu bahan semikonduktor. Setelah

itu kami mencari hubungan antara energi gap bahan semikonduktor ini dengan konduktivitas, serta

hubungan band gap energi dengan pengaruh suhu.

II. Teori Dasar

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara

isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat isolator pada temperatur yang sangat

rendah, namun pada temperatur yang tinggi bersifat sebagai konduktor. Jarak antar pita valensi

dengan pita konduksi akan semakin kecil jaraknya bila suhu yang diberikan semakin tinggi. Dengan

begitu perpindahan elektron yang terjadi pada bahan akan semakin mudah. Bahan semikonduktor

yang sering digunakan adalah silikon (Si), Germanium (Gr), dan Galium Arsenide. Semikonduktor

dapat diatur sedemikian rupa sesuai sifat bahan yang diinginkan. Semikonduktor dapat

diklasifikasikan menjadi semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Intrinsik merupakan bahan yang

murni, sedangkan ektrinsik merupakan bahan yang dicampur dengan unsur lain.

1. Semikonduktor tipe – p

Merupakan tipe dari semikonduktor ekstrinsik. Diperoleh dengan cara mendopping

atom- atom yang bervalensi lebih rendah ke dalam semikonduktor. Penambahan pengotor

atau atom lain bervalensi 3 seperti B, Al, atau Ga (Akseptor elektron) ke dalam

semikonduktor intrinsik (Si) menghasilkan defesiensi elektron valensi yang disebut hole

(bermuatan positif). Elektron pada pita valensi akan mengisi rongga tersebut, sehingga

aliran elektron dapat mencapai pita konduksi.

2. Semikonduktor tipe – n

Diperoleh dengan cara mendopping atom bervalensi tinggi ke dalam semikonduktor.

Penambahan pengotor bervalensi 5 seperti Sb, As, atau P menyumbangkan elektron (donor

free electron). Elektron bebas itu berada pada tingkat fermi dan dapat masuk ke pita

konduksi kekosongannya digantikan oleh elektron dari pita valensi, sehingga terjadi aliran

elektron.

2.1 Konduktivitas

Konduktivitas adalah kemampuan bahan untuk membawa arus listrik. Konduktivitas bahan

yang memiliki resistivitas dan panjang serta luas penampang A didefinisikan sebagai :

.............................................(2.1)

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. 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 merupakan energi gap yang kita cari dalam praktikum

ini.

......................................(2.2)

III. Percobaan

Komponen alat- alat yang digunakan antara lain : Multimeter, Blower, serta alat peraga band

gap semikonduktor yang rangkaiannya digambarkan dibawah ini.

Gambar 1. Susunan alat percobaan band gap semikonduktor

Menghubungungkan alat peraga band gap semi konduktor dan power supply dengan

menggunakan kabel penghubung. Lalau menghubungkan alat peraga band gap semikonduktor

dengan multimeter serta menyiapkan blower. Setelah alat siap, memvariasikan arus dari 4mA,

5mA, 6mA, dan 7mA. Kemudian menyalakan alat peraga lalu diamati besar tegangan setiap

kenaikan suhu 3ºC. Karena perubahan suhu yang begitu cepat, maka selama percobaan hasil yang

diamati didokumentasikan dengan video camera.

IV. Data dan Analisis

Dalam melakukan praktikum kami mencatat besar tegangan pada semikonduktor tiap selang

suhu 3ºC, dengan arus masukan 4 mA.

Tabel 1. Contoh data dalam bentuk tabel

T ( ᵒC ) 4 mA T ( ᵒC ) 4 mA36 3.12 0.128 0.942 60 1.6 0.250 0.77639 2.95 0.136 0.932 63 1.57 0.255 0.77642 2.76 0.145 0.919 66 1.51 0.265 0.76845 2.5 0.160 0.894 69 1.36 0.294 0.73748 2.32 0.172 0.876 72 1.25 0.320 0.71251 2.26 0.177 0.875 75 1.1 0.364 0.67054 1.93 0.207 0.828 78 0.99 0.404 0.63657 1.73 0.231 0.796

Volt (V)σ (1/Ω.m) Eg (eV) Volt (V) σ (1/Ω.m) Eg (eV)

Gambar 2. Grafik Hubungan konduktivitas dengan 1/T

Data yang didapatkan menunjukan semakin besar suhu pada semikonduktor (Germanium)

semakin kecil beda potensial yang dihasilkan. Konduktivitas yang dicari besarnya setelah

parameter- parameter yang dibutuhkan yaitu arus, tegangan, serta panjang dan luas semikonduktor.

Dengan menggunakan persamaan (2.1) besar konduktivitas didapat. Hasil yang didapatkan

diketahui sesuai dengan teori dimana semakin besar suhu pada semikonduktor semakin besar

konduktivitasnya. Ini membuktikan bahwa bahan semikonduktor memiliki sifat yang condong ke

konduktor ketika suhu yang diberikan tinggi. Hubungan ini kemudian diplotkan ke dalam grafik

konduktivitas terhadap T-1. Terlihat grafik yang didapatkan garis menurun. Ini menunjukan

hubungan kesebandingan antara konduktivitas dengan suhu (T). Untuk besar energi gap akan

diketahui apabila konduktivitas diketahui. Karena besar konduktivitas sudah didapat maka dengan

menggunakan persamaaan (2.2) besar energi gap didapat yang selanjutnya dikonversikan ke dalam

satuan eV(dibagi 1.6 x 10-19). Besar energi gap semakin kecil seiring kenaikan temperatur. Hal ini

menunjukan semakin besar suhu, semakin kecil energi atau pita yang membatasi perpindahan

elektron dari pita valensi ke pita konduksi.

V. Simpulan

Besar energi gap bahan semikonduktor yang didapat dirata- ratakan dalam setiap percobaan

penaikan dan penurunan. Arus yang di variasikan sebanyak 4 variasi membuat kita mendapatkan

delapan hasil energi gap, yang masing – masing percobaan menghasilkan 4 energi gap. Dengan

proses sebagai berikut :

Eg = -2kT ln (σ/σ0)

= {(2. (8.617 x 10-23). (309 K) . ln (0.128/2.173)) / (1.6 x 10-19) } eV

= 0.942 eV (contoh perhitungan dengan arus masukan 4 mA dan temperatur 309 K)

Dengan perhitungan seperti diatas maka didapatkan rata- rata energi gap sebagai berikut :

Tabel 3. Besar energi gap tiap percobaan

Arus Percobaan Energi Gap (Eg)4 mA Penaikan 0.4535 mA Penaikan 0.5056 mA Penaikan 0.5527 mA Penaikan 0.6074 mA Penurunan 0.4235 mA Penurunan 0.5016 mA Penurunan 0.5217 mA Penurunan 0.599

Besar energi gap yang didapat setelah dirata- ratakan secara total adalah 0.52 eV. Teori

menunjukan besar energi gap Germanium adalah 0.67 eV. Percobaan yang telah dilakukan

menunjukan error yang diperoleh adalah sebesar 22.38 %.

Daftar Pustaka

- Widyasari, Dian. 2012. Bahan Semikonduktor. Diambil dari web : elektronika-

dasar.web.id/teori-semikonduktor/tipep-tipen/21 [diakses tanggal 8 Oktober 2014 Pukul

18.47 WIB]