Download - terjemahan & ringkasan jurnal
TUGAS STRUKTUR ELEKTRONIK ZAT PADAT
KELOMPOK 4
BAND GAP ENERGY IN SILICON
Anggota Kelompok:
Nendra Patmana P
Rahmat Gianto
Yohana
Purwidiyani S
Nepi Litna L
Idang P
H1E009003
H1E009008
H1E009026
H1E009027
H1E009035
H1E009036
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAANUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK2013
Terjemahan Jurnal
PITA ENERGI GAP DALAM SILIKON
Jeremy J. Low, Michael L. Kreider, Drew P. Pulsifer
Andrew S. Jones dan Tariq H. Gilani
Departemen Fisika
Millersville University
P. O. Kotak 1002
Millersville, Pennsylvania 17551 USA
ABSTRAK
Pita energi gap Eg dalam silikon ditemukan dengan memanfaatkan hubungan linear antara
suhu dan tegangan untuk arus konstan dengan suhu antara 275 K - 333 K. Dalam ketelitian
percobaan kami, hasil yang diperoleh baik dengan nilai energi gap yang dikenal dalam
silikon. Ketergantungan suhu dari Eg untuk silikon juga telah dipelajari.
PENDAHULUAN
Mempelajari tentang struktur celah pita semikonduktor penting karena secara langsung
berkaitan dengan sifat elektronik. Sebagai akibatnya, telah menarik minat yang cukup besar
bagi mahasiswa tingkat akhir. Beberapa metode yang berbeda telah dibahas untuk
menentukan pita energi gap semikonduktor. Sebuah dioda juga digunakan sebagai sensor
suhu, dimana hubungan linear antara suhu T, dan tegangan melintasi persimpangan p-n
junction, V dimanfaatkan.
Telah terbukti bahwa dengan penyederhanaan tertentu, hubungan untuk dioda dapat ditulis
sebagai berikut
dimana e adalah muatan elektron, k adalah konstanta Boltzmann, Eg adalah energi pita gap
dan C merupakan fungsi dari I, arus melalui dioda. Oleh karena itu, jika I tetap konstan,
maka
dimana dan diperoleh,
Oleh karena itu, jika kita menemukan konstanta a dan b dengan percobaan mengukur suhu
dan tegangan dioda, kita bisa menemukan pita energi gap semikonduktor, asalkan tidak
sangat bergantung pada suhu. Untuk silikon, variasi Eg dengan suhu rendah antara 273 K -
335 K.
METODE EKSPERIMENTAL
Gambar 1 (a) menunjukkan diagram skematik dari rangkaian yang digunakan untuk
pengukuran data T-V untuk persimpangan basis-kolektor dari transistor npn (MPS2222AG)
sedangkan Gambar 1 (b) menggambarkan silikon dengan penggunaan dioda (1N914). Arus, I
dijaga konstan menggunakan rangkaian ditampilkan dalam kotak putus-putus pada Gambar 1
(a). Variabel resistor telah disesuaikan untuk memperoleh arus 10 μA. Seluruh lintasan ini
didukung oleh power supply tegangan konstan (Elenco Presisi, Model XP-660), dengan
menjaga tegangan pada sekitar 9 V. Tegangan pn-junction diukur dengan voltmeter digital
(Heath, Model SM2320), sedangkan suhu diukur dengan kalibrasi sensor suhu AD-590.
Kedua dioda dan sensor suhu, dibungkus bersama dalam sebuah foil plastik tipis untuk
melindungi elektriknya. Seluruh sistem ini kemudian ditempatkan dalam campuran air es
yang terionisasi (es juga terbuat dari air ionisasi) untuk mendapatkan suhu 273 K.
Kemudian pembacaan tegangan diambil untuk berbagai suhu sementara sistem dipanaskan
perlahan-lahan. Pengukuran diulang beberapa kali untuk mengurangi kesalahan statistik.
Gambar 1. (a) Transistor MPS2222AG dan (b) Diode 1N914 berada pada variabel suhu.
Transistor MPF102 digunakan sebagai sumber arus konstan. Rangkaian untuk sumber arus
konstan ditunjukkan dalam kotak bertitik. Sumber tegangan bias telah disesuaikan dengan
resistor 100 kΩ untuk mendapatkan arus konstan 10 μA.
HASIL
Kurva T-V untuk silikon transistor p-n (MPS2222AG) antara suhu 273 K-335 K ditunjukkan
pada Gambar 2 (a). Data menunjukkan hubungan linear yang cukup baik antara suhu mutlak
dan tegangan persimpangan pn-junction antara suhu yang dibutuhkan, kecuali suhu di akhir
lebih tinggi (lihat diskusi tersebut). Kami juga menggunakan dioda silikon 1N914 di tempat
transistor (MPS2222AG) dan mengulangi percobaan. Data untuk dioda silikon (1N914)
ditunjukkan pada Gambar 2 (b). Nilai-nilai konstanta a dan b dari persamaan (2) suhu
kuadrat-data diperoleh dari 275 K - 330 K. Kemudian Nilai Eg dihitung dari persamaan (3).
Ketidakpastian dalam hasil yang ditemukan karena perhitungan Eg tergantung pada dua
variabel, a dan b, ketidakpastian Eg ditulis . Kesalahan
fraksional maksimal karena , dimana standar deviasi da dan db dari
kemiringan, a dan y-intercept, b dari garis lurus cocok untuk data T-V, masing-masing.
Untuk persimpangan pn-junction dari transistor MPS2222AG [lihat Gambar 2 (a)], = -
462,17 K/V, = ± 7,95 K/V, = 547,40 K, dan = ± 4,12 K, oleh karena itu antara suhu
273 K - 330 K, nilai dari Eg adalah 1,20 eV dengan ketidakpastian ± 2,47%. Demikian pula
untuk dioda 1N914 [Lihat Gambar 2 (b)], = - 393,538 K/V, = ± 6,3828 K/V, = 454,18
K, dan = ± 2,388 K. Oleh karena itu antara suhu 278 K - 323 K, nilai dari Eg adalah 1.17
eV dengan ketidakpastian sekitar 2,15% ±. Hasilnya diringkas dalam Tabel 1 dan
dibandingkan dengan nilai-nilai kesenjangan energi gap dalam silikon yang diketahui dari
referensi yang berbeda.
Untuk nilai silikon dari Eg yang dikenal dalam ketidakpastian ± 5% dan bervariasi dari 1,13
± 0,057 eV pada 273 K menjadi 1,11 ± 0,056 eV pada 330 K. Oleh karena itu hasil yang
diperoleh sesuai dengan nilai-nilai yang dikenal dalam literatur, meskipun nilai yang
diperoleh di sini cenderung sedikit lebih tinggi (lihat Diskusi).
Kami telah menganalisa lebih lanjut data kami untuk menyelidiki ketergantungan suhu. Garis
lurus diperoleh dengan kuadrat data dalam interval temperatur kecil ± 2,5 K, dengan asumsi
bahwa silikon tetap konstan dalam interval suhu yang kecil. Hasilnya ditunjukkan pada
Gambar 3.
Gambar 2. Grafik Suhut vs tegangan untuk silikon: (a, di atas) pn-junction transistor npn
(MPS2222AG). Kurva T-V nonlinier di atas 330 K. (b, di bawah) diode (1N914). Jalur padat
(tebal) cocok untuk kuadrat data.
Tabel 1. Koefisien regresi linier a dan b diperoleh dari data ukur T-V, dan Eg dihitung.
Terakhir dua kolom adalah nilai-nilai pada suhu tertentu dari Ref. 4 dan Ref. 6, untuk
perbandingan.
PEMBAHASAN
a.Kurva Suhu – Tegangan
Seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 (a) kurva T-V menyimpang dari garis lurus ke sisi
temperatur tinggi (> 330 K). Seperti perilaku kurva non-linear T-V juga diamati pada
Germanium diatas 313 K. Ketika berasal dari persamaan (2) menggunakan Diode persamaan
idealnya
dimana Io adalah saturasi balik saat ini, kita mengasumsikan untuk memperoleh
dari tegangan bias maju 0,4 V, yang diambil pada suhu kamar, kita mendapatkan
sehingga
Oleh karena itu, pendekatan suhu kamar umumnya berada di bawah. Tapi seperti
meningkatkan suhu menurun jangka eksponensial. Hal ini dapat menyebabkan penyimpangan
dari perilaku linier data T-V.
Sebaliknya arus Io sangat bergantung pada suhu. Ini proporsional untuk faktor Boltzmann
dan , dimana γ adalah konstanta. Oleh karena itu,
Berikut ketergantungan dari Io diabaikan kemudian dibandingkan dengan
ketergantungan eksponensial pada T dan dengan demikian
Dimana . Sekarang menggabungkan persamaan (5) dan persamaan (7), kita
mendapatkan
Karena I konstan dalam percobaan, karena itu kita dapat menulis persamaan (1) dimana
b. Nilai Eg
Tetapi jika ketergantungan tidak diabaikan, maka konstanta C tidak lebih konstan dan
akan bergantung pada ln(T). Itu berarti kemiringan dari prcobaan grafik T-V akan lebih kecil
dan karenanya hasil nilai dari Eg di sini diharapkan akan sedikit lebih tinggi untuk silikon
serta untuk germanium di Ref.4 (lihat tabel 1). Juga kontribusi panjang ln(T) akan lebih besar
terhadap suhu yang lebih tinggi dan ini juga dapat berkontribusi dalam perilaku non-linier
data T-V pada suhu yang lebih tinggi.
c. Ketergantungan suhu dari Eg
Jadi karena kita telah mengasumsikan Eg dari silikon adalah suhu independen yang tidak
sepenuhnya benar. Sebagai soal fakta Eg tidak tergantung pada suhu, meskipun lemah seperti
yang dijelaskan oleh fungsi universal dan ditunjukkan pada Gambar. 3 (garis utuh). Untuk
menyelidiki ketergantungan suhu dai Eg, garis lurus yang diperoleh dari data kuadrat terkecil
dalam interval suhu ± 2,5 K, dengan asumsi bahwa Eg silikon tetap konstan dalam interval
suhu yang kecil.
Dalam derivasi dari persamaan (2), dibandingkan dengan ketergantungan
eksponensial suhu. Untuk perubahan temperatur ± 2,5 K ( ) pada suhu kamar,
kontribusi jangka eksponensial hampir sepuluh kali lebih tinggi dari panjang (asumsi
γ = 1 untuk penyederhanaan). Oleh karena itu asumsi ini juga dapat dibenarkan dalam
interval suhu yang rendah.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, ketergantungan suhu Eg di silikon lemah dan
konsisten dengan deskripsi fungsi universal. Nilai yang diperoleh dalam silikon dari
percobaan kami bervariasi dari sekitar 1,18 eV pada 275 K menjadi 1,1 eV pada 335 K. Data
untuk transistor npn (MPS2222AG) menunjukkan puncak kecil dalam Eg diantara suhu
sekitar 290 K - 300 K (lihat Gambar 3). Kami berniat untuk tidak memberikan penjelasan
perilaku pada tahap ini. Perhatikan bahwa data yang lebih tersebar diantara suhu yang lebih
tinggi seperti yang diharapkan dan dijelaskan sebelumnya. Ketergantungan suhu diberikan
oleh fungsi yang diplot bervariasi pada Gambar. 3 untuk perbandingan.
Gambar 3. Ketergantungan suhu dari pita energi gap dalam silikon: pn-junction dari transistor
npn MPS2222AG, Δ dioda 1N914, dan garis yang tebal merupakan fungsi universal yang
diambil dari Ref. 6 untuk perbandingan.
KESIMPULAN
Celah pita energi, Eg dalam silikon dan ketergantungan suhu antara 273 K - 335 K . Pada
suhu 275 K itu ditemukan 1,18 ± 0,03 eV dan bergantung pada suhu. Data menunjukkan
kesesuaian dengan nilai-nilai sebelumnya yang dikenal dalam literatur.
Ringkasan Jurnal
Jurnal yang berjudul Band Gap Energy in Silicon mempelajari tentang struktur energi pita
dengan beberapa metode percobaan yang memvariasikan nilai suhu menggunakan transistor
npn (MPS2222AG) dan dioda (1N914) . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui
celah pita enegi gap dalam silikon dengan membandingan nilai pita energi gap pada referensi.
Berdasarkan tujuan tersebut, mereka menyatakan bahwa metode penelitian yang digunakan
adalah dengan cara mengukur suhu dengan sensor suhu AD-590 dan mengukur tegangan
dengan voltmeter digital (Heath, Model SM2320), kemudian dioda dan sensor suhu
dibungkus bersama dengan foil plastik tipis. Seluruh sistem ini ditempatkan dalam campuran
air es yang terionisasi untuk mendapatkan suhu 273 K. Kemudian pembacaan tegangan
diambil untuk berbagai suhu. Pengukuran diulang beberapa kali untuk mengurangi kesalahan
statistik.
Hasil penelitian ditunjukkan dengan kurva hubungan antara suhu dan tegangan, untuk
mementukan nilai suhu dapat dihitung dengan persamaan
Dimana dan
maka diperoleh nilai Eg dengan menggunakan persamaan
Seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas bahwa untuk silikon transistor nilai suhunya
adalah 273 K - 330 K dengan nilai Eg 1,20 eV, sedangkan untuk silikon dioda nilai suhunya
adalah 278 K - 323 K, nilai dari Eg adalah 1.17 eV. Hasil yang diperoleh akan dibandingkan
dengan nilai referensi. Adapun tabel dari nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut.
Jadi dapat dilihat bahwa hasil yang diperoleh sesuai dengan nilai-nilai yang ada dalam
referensi, meskipun nilai yang diperoleh di sini cenderung sedikit lebih tinggi.