PERCOBAA FZP 1 PE GUKURA LEBAR CELAH TE AGA CUPLIKA I. PENDAHULUAN Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium

arsenide.Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut materi doping). Pada umumya, bahan semikonduktor peka terhadap suhu, karena itu suhu kerja alat sangat perlu diperhatikan. Pembawa muatan mayoritas di dalam semikonduktor tipe-p dan tipe-n, berturut-turut adalah lubang (hole)dan electron. Sesungguhnya pembawa muatan di dalam semikonduktor tipe-p bukan hanya lubang saja tetapi juga sejumlah kecil elektron. Sebaliknya di dalam semikonduktor tipe-n juga terdapat sejumlah kecil lubang sebagai pembawa muatan. Pembawa muatan yang berjumlah besar dinamakan pembawa mayoritas dan berjumlah kecil dinamakan pembawa muatan minoritas karena konsentrasi lubang dan electron sama besar. Semikonduktor yang demikan itu dinamakan konsentrasi intrinsic. Selanjutnya akan dipelajari gejala hantaran (konduksi) listrik di dalam semikonduktor intrinsik yang bersal dari elektron pada pita valensi dan lubang pada pita konduksi. Kemudian mempelajari pengaruh suhu pada konduktivitas bahan semikonduktor serta menentukan lebar celah tenaga semikonduktor dengan cara mengukur konduktivitas listriknya.

II.

DASAR TEORI Pembawa-pembawa muatan mayoritas di dalam semikonduktor tipe-p dan tipe-n masing-masing adalah lubang (hole) dan elektron. Sesungguhnya pembawa-pembawa muatan di dalam semikonduktor tipe-p bukan hanya lubang saja tetapi juga sejumlah kecil elektron dan sebaliknya di dalam semikonduktor tipe-n terdapat sejumlah kecil lubang sebagai pembawapembawa muatan. Pembawa-pembawa muatan yang berjumlah besar dinamakan pembawa-pembawa muatan mayoritas dan yang berjumlah kecil dinamakan pembawa-pembawa muatan minoritas. Kadang-kadang tidak dapat dibedakan antara pembawa-pembawa muatan minoritas karena konsentrasi lubang dan elektron sama besar. Semikonduktor yang demikian ini dinamakan semikonduktor intrinsik dan konsentrasi pembawa-pembawa muatannya dinamakan konsentrasi intrinsik. Untuk selanjutnya hanya akan dipelajari gejala hantaran (konduksi) listrik di dalam semikonduktor intrinsik yang berasal dari elekton-elektron pada pita konduksi dan lubang-lubang pada pita valensi. Di dalam semikonduktor intrinsik konsentrasi elektron pada pita tenaga konduksi (n) sama dengan konsentrasi lubang pada pita tenaga valensi (p) sehingga (Kittel 1986) = /

=2

/

Dengan indeks

menyatakan intrinsik, adalah tetapan planck,

berturut-turut adalah massa efektif electron dan lubang serta

adalah celah tenaga. mobilitas electron ( = ( + Yang Kondutivitas listrik ( ) semikonduktor intrinsic dikaitkan dengan )= ) dan mobilitas lubang ( ( + ) bahwa ) menurut ungkapan

memperlihatkan

konduktivitas

bergantung

pada

konsentrasi pembawa-pembawa muatan intrinsic. Selanjutnya karena konsentrasi intrinsic dipengaruhi oleh suhu maka persaman =2 ( + ) /

dinyatakan dengan

Walaupun mobilitas-mobilitas lubang dan elektron sendiri bergantung pada suhu tetapi ketergantungan konduktivitas pada suhu didominasi oleh factor eksponensial sehingga (Kittel, 1986) = Dengan 2

adalah suatu tetapan kesebandingan. Pengambilan nilai logaritma 1

alamiah kedua ruas persamaan diatas memberika = 2

Yang berarti bahwa pengukuran konduktivitas pada berbagai suhu akan menghasilkan garfik 1/ . Lebar celah tenaga dapat ditentukan dari

kemiringan (slope) grafik tersebut. Konduktivitas semikonduktor dapat ditentukan pada setiap suhu dengan cara mengukur besarnya hambatan dalam gambar 1. Bila dari cuplikan menurut rangkaian

adalah arus yang mengalir melalui batang dan panjang = yang terpasang pada =

semikonduktor dengan luas penampang tegangan III. maka = / sehingga

METODE EKSPERIMEN 1. ALAT a. Cuplikan semikonduktor b. Sumber arus AC c. Multimeter d. Thermometer e. Tabung tempat pendinginan dan pemanasan cuplikan 2. TATA LAKSANA a. Alat dirangkai seperti gambar pada skema dengan tegangan 40 volt untuk percobaan pertama dan 60 volt untuk percobaan kedua, dengan panjang cupikan 6.5 10 dan luas penampang 35.75 10 . b. Kemudian diamati penurunan suhu dengan interval 2o C dimulai dari suhu tertinggi hingga mencapai suhu terendah dengan cara memasukkan cuplikan kedalam termos yang berisi es.

c. Amatilah kenaikan suhu dengan interval 2o C dimulai dari suhu terendah sampai pada suhu tertinggi dengan cara mengangkat cuplikan dari termos pendinginan dan bila sudah mencapai suhu kamar dapat menggunakan alat pemanas. d. Ulangi langkah (b) dan (c) untuk tegangan 60 Volt.

3. SKEMA

4. ANALISA 2 + ) 2 2

= = ( + )= =2 (

=2 ( +

/

2

) /

= = Lebar celah diperoleh dari gradient grafik dan

2 2 vs 1

, sehingga

=

sehingga

IV.

HASIL Table 1. (tegangan 40 Volt saat suhu menurun) ( ) 309 307 305 303 301 299 297 295 293 291 289 287 285 283 (10 0.33 0.33 0.33 0.33 0.33 0.33 0.33 0.33 0.33 0.30 0.29 0.24 0.17 0.15 ) () 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000015 0.0000014 0.0000013 0.0000011 0.0000007 0.0000006 ln -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.4100 -13.479 -13.553 -13.720 -14.172 -14.326 1/ 0.00324 0.00326 0.00328 0.00330 0.00332 0.00334 0.00337 0.00339 0.00341 0.00344 0.00346 0.00348 0.00350 0.00353

Table 2. (tegangan 40 Volt saat suhu naik) ( ) 283 285 287 289 291 293 295 297 299 301 (10 0.11 0.12 0.14 0.16 0.24 0.25 0.26 0.28 0.26 0.26 ) () 0.0000005 0.00000055 0.00000064 0.00000073 0.0000011 0.00000114 0.00000118 0.00000127 0.00000118 0.00000118 ln -14.5086 -14.4133 -14.2618 -14.1302 -13.7202 -13.6844 -13.65 -13.5765 -13.65 -13.65 1/ 0.00353 0.00350 0.00348 0.00346 0.00344 0.00341 0.00339 0.00337 0.00334 0.00332

303 305 307 309

0.27 0.27 0.28 0.29

0.00000123 0.00000123 0.00000127 0.0000013

-13.6084 -13.6084 -13.5765 -13.5531

0.00330 0.00328 0.00326 0.00324

Table 3. (tegangan 60 Volt saat suhu menurun) ( ) 305 (10 0.46 ) () 0.0000014 ln -13.479 1/ 0.00328

303 301 299 297 295 293 291 289 287 285 283

0.42 0.44 0.45 0.44 0.42 0.41 0.41 0.37 0.35 0.33 0.31

0.00000127 0.00000133 0.00000136 0.00000133 0.00000127 0.00000124 0.00000124 0.00000112 0.00000106 0.000001 0.00000094

-13.576 -13.530 -13.508 -13.530 -13.576 -13.6 -13.6 -13.7 -13.757 -13.815 -13.877

0.00330 0.00332 0.00334 0.00337 0.00339 0.00341 0.00344 0.00346 0.00348 0.00350 0.00353

Table 4. (tegangan 60 Volt saat suhu naik) ( ) 283 285 287 289 291 293 0.37 0.42 0.43 0.58 0.59 0.58 ( ) 0.00000112 0.00000127 0.0000013 0.00000176 0.00000179 0.00000176 ln -13.702 -13.576 -13.553 -13.250 -13.233 -13.250 1/ 0.00353 0.00350 0.00348 0.00346 0.00344 0.00341

295 297 299 301 303 305

0.60 0.63 0.65 0.59 0.54 0.54

0.00000182 0.00000191 0.00000197 0.00000179 0.00000164 0.00000164

-13.217 -13.168 -13.137 -13.233 -13.321 -13.321

0.00339 0.00337 0.00334 0.00332 0.00330 0.00328

Grafik 1. (tegangan 40 Volt saat suhu menurun)

Grafik 2 (tegangan 40 volt saat suhu naik)

Grafik 3. (tegangan 60 Volt saat suhu menurun)

Grafik 4 (tegangan 60 Volt saat suhu naik)

Grafik 5. (tegangan 40 Volt saat suhu menurun)

Grafik 6. (tegangan 40 Volt saat suhu naik)

Grafik 7 (tegangan 60 Volt saat suhu menurun)

Grafik 8. (tegangan 60 Volt saat suhu naik)

Perhitungan tegangan 40 Volt saat suhu menurun Eg = 0,415471078 eV tegangan 40 volt saat suhu naik Eg = 0,536779379 eV tegangan 60 Volt saat suhu menurun) Eg = 0,245272738 eV tegangan 60 Volt saat suhu naik Eg = 0,251664601 eV

V.

PEMBAHASAN Eksperimen ini mengenai pengukuran lebar celah tenaga cuplikan

semikonduktor. Pengukuran ini menggunakan data arus listrik yang terukur setiap perubahan suhu pada cuplikan semikonduktor. Dari data yang diambil kemudian ditentukan nilai dan nilai 1/T untuk membuat grafik dari persamaan = 2 1

Dari grafik terlihat banyaknya data yang menyimpang baik itu untuk tegangan 60 V dan 40 V untuk pengukuran suhu yang turun dan naik. Terlihat juga dari hasil perhitungan bahwa nilai Eg berbeda dari referensi. Dari referensi nilai energi gap secara teori untuk bahan semikondutor intrinsik, yaitu 1,11 eV. Namun masih sesuai dengan energi gap bahan semikonduktor secara umum yaitu diantara 0,2 eV sampai 2,5 eV. Dari grafik suhu vs konduktifitas terlihat kenaikan nilai konduktivitas setiap terjadi kenaikan suhu walaupun ditemukan beberapa data yang tidak sesuai. Hal ini dapat terjadi karena beberapa faktor, antara lain pembacaan skala pada termometer dan arus listrik, adanya cacat pada rangkain, serta termometer yang menunjukkan suhu dinding wadah cuplikan, bukan suhu dari cuplikan yang diukur. VI. KESIMPULAN 1. gejala hantaran (konduksi) listrik di dalam semikonduktor intrinsik berasal dari elekton-elektron pada pita konduksi dan lubang-lubang pada pita valensi 2. Semakin tinggi suhu maka semakin tinggi konduktivitas bahan semikonduktor. 3. Nilai Eg a. tegangan 40 Volt saat suhu menurun b. Eg = 0,415471078 eV c. tegangan 40 volt saat suhu naik d. Eg = 0,536779379 eV e. tegangan 60 Volt saat suhu menurun)

f. Eg = 0,245272738 eV g. tegangan 60 Volt saat suhu naik h. Eg = 0,251664601 eV i. VII. DAFTAR PUSTAKA Greiner, R.A., 1961, Semiconductor Devices and Applications, McGraw-Hill book Co., inc., New york Omar, M.A., 1974, Elementary solid State Physics Principles and Application, Lowel Tecnological Institute Kittel, C., 1986, Introduction to solid state physics, edisi 6, John Wiley & Sons, new york Sze, S.M., 1985, Physics of semiconductor devices, Seconded., John Wiley and Sons Jorena, 2000, Penentuan energi gap bahan semikonduktor silikon , Laporan Penelitian, Proyek Penelitian Dana Rutin UNSRI