Makalah Aplikasi Fisika Modern

LIGHT EMITTING DIODE (LED)

Oleh :Arsul Rahman

NIM : 90211017

MAGISTER PENGAJARAN FISIKAFAKLUTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

LED (Light Emitting Dioda)

A. Pendahuluan

1. Latar Belakang

Dalam dunia elektronika peberapan dioda biasa digunakan untuk menyearahkan arus

listrik bolak balik (ac) menjadi arus listrik searah (dc). Namun keguanaan dari dioda tidak

terbatas pada penyearahan arus, tetapi kakteristik dari dioda digunakan untuk berbagai jenis

penerapan yang memiliki tujuan khusus. Misalnya penerapan karakteristik dioda yang lain

adalah sebagai komponen penghasil cahaya. Komponen dioda ini disebut dengan Light Emitting

Dioda atau disingkat dengan LED.

Dalam kehidupan sehari-hari LED digunakan untuk indicator pada peralatan elektronik.

dan bahkan penerapan LED dalam teknologi terkini digunakan untuk menggantikan lampu

penerangan yang ada di rumah, lampu penerangan di jalan raya, peralatan elektronik misalnya

lampu senter, dan lain-lain. Penggunaan lampu LED sebagai lampu penerangan sangat

menguntungkan bagi penggunanya. Hal ini disebabkan oleh karena lampu LED menggunakan

konsumsi daya listrik yang rendah. Selain itu umur pemakaian lampu LED lebih lama

dibandingkan dengan lampu penerangan yang lain. Selain itu keuntungan dari lampu LED adalah

memiliki beraneka warna misalnya warna merah, kuning, hijau, biru, dan oranye. Penggunaan

warna-warna pada lampu LED ini biasa digunakan pada lampu-lampu indicator pada peralatan

elektronika.

2. Rumusan Masalah

Dalam tugas makalah ini penulis mencoba untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja

LED dalam menghasilkan cahaya serta warna ditinjau dari konsep Fisika Modern.

3. Tujuan

Tujuan dari makalah ini adalah untuk mengetahui prinsip kerja LED dalam menghasilkan cahaya

dan warna ditinjau dari konsep Fisika Modern.

B. Teori Dasar

1. Light Emitting Dioda (LED)

Salah satu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor dan dapat

menghasilkan cahaya adalah LED. LED merupakan kepanjangan dari kata Light Emitting Diode.

Komponen ini bekerja atas dasar operasi persambungan pn (positif-negatif).

.

Gambar 1. Bentuk fisik LED

LED memiliki dua kaki yang terbuat dari sejenis kawat. Kawat yang panjang adalah

anoda, sedangkan kawat yang pendek adalah katoda. Coba perhatikan bagian dalam LED, akan

terlihat berbeda antara kiri dan kanannya. Yang ukurannya lebih besar adalah katoda, atau yang

mempunyai panjang sisi atas yang lebih besar adalah katoda.

Anoda adalah elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lainnya pada sel

elektrokimia yang terpolarisasi jika arus mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan

dengan arah pergerakan elektron. Katoda merupakan kebalikan dari anoda. Katoda adalah

elektroda dalam sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya.

LED mempunyai kelebihan dan kelemahan antara lain :

Kelebihan LED :

LED memiliki efisiensi energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan lampu lain, dimana

LED lebih hemat energi 80 % sampai 90% dibandingkan lampu lain.

LED memilki waktu penggunaan yang lebih lama hingga mencapai 100 ribu jam.

LED memiliki tegangan operasi DC yang rendah.

Cahaya keluaran dari LED bersifat dingin atau cool (tidak ada sinar UV atau energi

panas).

Ukurannya yang mini dan praktis

Tersedia dalam berbagai warna

Harga murah

Kelemahan LED antara lain :

Suhu lingkungan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan gangguan elektrik pada LED.

Harga LED per lumen lebih tinggi dibandingkan dengan lampu lain.

Intensitas cahaya (Lumen) yang dihasilkannya tergolong kecil.

2. Proses LED Memancarkan cahaya

Dioda merupakan komponen semikonduktor yang sangat sederhana. Semikonduktor

adalah bahan dengan kemampuan menghantarkan arus listrik. Kebanyakan semikonduktor

dibuat dari konduktor miskin yang memiliki ketidakmurnian dengan penambahan atom dari

bahan lain. Proses penambahan ketidakmurian disebut doping.

Dalam kasus LED, bahan konduktor yang digunakan berjenis Alumunium-Gallium-

Arsenide (AlGaAs). Dalam Alumunium-Gallium-Arsenide (AlGaAs) murni, semua atom

berikatan dengan atom tetangganya untuk menghantarkan arus. Bahan yang telah di doping

menyebabkan penambahan atom sehingga mengubah keseimbangannya, selain itu terbentuk

penambahan elektron bebas. Selain itu perubahan ini membuat bahan menjadi lebih konduktif.

Sebuah semikonduktor dengan elektron banyak disebut bahan jenis-N, karena elektron

memiliki muatan negatif berlebih. Dalam bahan jenis-N, elektron bebas bergerak dari daerah

muatan negatif menuju daerah bermuatan positif.

Sebuah semikonduktor dengan lubang berlebih disebut bahan jenis-P. karena memiliki

muatan positif berlebih. Elektron dapat melompat dari lubang ke lubang, dan bergerak dari

daerah muatan negatif ke daerah yang bermuatan positif. Sebagai hasilnya lubang tadi terlihat

bergerak dari daerah muatan positif ke daerah muatan negatif.

Sebuah dioda terdiri atas bagian bahan jenis-N yang berpindah ke bagian bahan jenis-P,

dengan electrode disetiap ujungnya. Susunan ini menghantarkan listrik hanya pada satu arah.

Ketika tidak ada tegangan terpasang pada dioda, Elektron dari bahan jenis-N mengisi lubang dari

bahan jenis-P. Akibatnya disepanjang sambungan diantara lapisan dari bahan jenis-N dan bahan

jenis-P terbentuk daerah pengosongan. Pada daerah pengosongan terbentuk daerah tanpa muatan

bebas.

\Untuk mendapatkanmenghilangkan daerah pengosongan, haruslah didapatkan elektron

dari daerah jenis-N ke daerah jenis-P sehingga lubang bergerak berlawanan arah. Hal ini

dilakukan dengan menghubungkan sisi jenis-N dioda ke kutub negatif rangkaian dan jenis-P ke

kutub positif. Elektron bebas dalam bahan jenis-N ditolak oleh electrode negatif dan ditarik ke

electrode positif. Lubang dalam bahan jenis-P bergerak kearah lain. Ketika beda tegangan cukup

tinggi, elektron dalam daerah pengosongan dipaksa keluar dari lubang dan mulai bergerak

secara bebas kembali. Daerah pengosongan menghilang, dan muatan mengalir melewati dioda.

Jika arusnya bergerak ke arah lain, dengan sisi jenis-P dihubungkan ke kutub negatif

rangkaian dan sisi jenis-N dihubungkan ke kutub positif, maka arus tidak akan mengalir.

Elektron yang bermuatan negatif dalam bahan jenis-N tertarik ke electrode positif. Lubang

bermuatan positif positif dalam bahan jenis-P tertarik ke elektroda negatif. Akibatnya tidak ada

arus mengalir bergerak melewati sambungan karena lubang dan elektron masing-masing

bergerak kearah yang salah. Akibatnya daerah pengosongan meningkat. Interaksi antara elektron

dan lubang ini menimbulkan efek timbulnya cahaya.

Gambar 2. Pada sambungan, elektron bebas bahan jenis-N mengisi lubang dari bahan jenis-P. ini menciptakan lapisan penyekatan ditengah dioda yang disebut dengan daerah pengosongan (depletion).

Gambar 3. Ketika ujung negatif rangkaian dihubungkan ke lapisan jenis-N dan ujung positifnya dihubungkan ke lapisan jenis-P, elektron dan lubang mulai bergerak dan daerah pengosongan menghilang

3. Kerja cahaya LED

Cahaya adalah salah satu bentuk energi yang dihasilkan oleh atom. Atom terdiri atas

banyak partikel kecil seperti paket yang memiliki energi dan momentum tetapi tidak memiliki

massa. Partikel-partikel ini disebut foton, yang merupakan bentuk paling dasar dari satuan

cahaya.

Foton dilepaskan sebagai akibat dari pergerakan elektron. Di dalam atom, elektron

bergerak dalam orbital yang mengelilingi inti. Elektron yang berada di orbital yang berbeda

memiliki sejumlah besar energi. Dengan kata lain, elektron yang memiliki energi yang lebih

besar bergerak dalam orbital-orbital jauh dari inti.

Sebuah elektron melepaskan energi ketika elektron berpindah dari orbital yang lebih tinggi

ke salah satu orbital yang lebih rendah. Energi yang dilepaskan ini dalam bentuk foton.

Sebagaimana yang telah kita ketahui, elektron bebas yang bergerak melintasi diode dapat jatuh

kedalam lobang yang kosong dari lapisan jenis-P. Hal ini berpengaruh pada pita konduksi

menuju orbital terendah. Akibatnya elektron melepaskan energi dalam bentuk foton.

4. Warna cahaya LED

LED terdiri dari banyak warna yaitu merah, kuning, biru, hijau, putih dan putih (infra

red) yang masing-masing warna memiliki karakteristiknya masing-masing, dan digunakan sesuai

kebutuhan. LED terbuat dari bahan semikonduktor jenis-N di pita valensinya dan jenis-P di pita

konduksinya, yang dibatasi oleh daerah pengosongan muatan (daerah deplesi). Pada bagian pita

konduksi lebih banyak mengandung lubang, dan pita valensi banyak mengandung elektron. Saat

dialiri tegangan panjar maju (forward bias), muncul arus difusi yang menyebabkan lubang pada

Gambar 4. Ketika kutub positif rangkaian dihubungkan ke lapisan jenis-N dan kutub negatif dihubungkan ke lapisan jenis-P, elektron bebas mengumpul di salah satu kutub dioda dan lubang mengumpul disisi kutub yang lain dioda. Daerah pengosongan menjadi lebih besar.

P berpindah ke N, dan elektron pada N berpindah ke P sehingga arus mengalir. Ketika arus

rekombinasi terjadi (arus difusi dan arus drift muncul), sebagian elektron akan bersatu dengan

sebagian hole dan menghasilkan energi dalam bentuk cahaya foton (pancaran warna LED) dan

sisanya akan menghasilkan energi panas.

Energi foton akan sebanding dengan beda energi antara pita konduksi dan pita valensi

(band-gap energi). Panjang gelombang foton yang dipancarkan adalah

Tidak seperti dioda signal biasa yang dibuat untuk penyearah dan terbuat

dari germanium ataupun silikon, LED terbuat dari senyawa semikonduktor eksotik

seperti Gallium (GaAs), Gallium fosfida (GaP), Gallium fosfida (GaAsP), Silicon

Carbide (SiC) atau Indium Gallium Nitrida (GaInN) yang dicampur pada rasio yang

berbeda. Pencampuran yang tepat dari bahan semikonduktor yang digunakan akan

menyebabkan energi gap pita antara pita konduksi dan pita valensi berbeda-beda .

Sehingga menghasilkan panjang gelombang warna yang berbeda. Panjang

gelombang ini menentukan warna yang dipancarkan LED. Sebagai contoh LED yang

ada dipasaran didesain untuk daerah tampak lebih umum digunakan gallium, karena bersesuaian

dengan atom arsenik dan atom phosphorus. Dalam penyusunan komposisinya ialah 60 % non-

gallium dimana dtempati oleh arsenik dan 40 % oleh ditempati ion phosphorus sehingga

menghasilkan lebar celah Eg sebesar 1,8 eV. Energi dengan lebar celah ini menghasilkan cahaya

warna merah. Doping yang lain dan penyusunan tingkat transisi secara umum agar diinginkan

spektrum daerah cahaya tampak dan spektrum dekat cahaya tampak.

C. Analisa Data

Jika ditinjau dari konsep fisika modern, penyebab timbulnya elektron pada LED tidak

disebabkan oleh adanya efek fotolistrik. Hal ini karena pada efek fotolistrik, elektron dihasilkan

jika logam disinari oleh foton atau cahaya. Kemampuan elektron keluar dari logam bergantung

pada fungsi kerja logam . Agar elektron dapat keluar dari logam maka foton harus mempunyai

energi yang lebih besar dari fungsi kerja kerja . Elektron yang timbul selanjutnya akan mengalir

melalui rangkaian tertutup. Jadi dapat dikatakan bahwa pada peristiwa efek fotolistrik, cahaya

menghasilkan elektron. . Prinsip efek fotolistrik ini diaplikasikan pada sel surya.

…………………………………… (1)

Sedangkan pada LED terjadinya elektron hanya dapat dijelaskan melalui konsep fisika

modern, tetapi dapat dijelaskan melalui konsep fisika semikonduktor. Dalam konsep fisika

semikonduktor, LED dibentuk dari sambungan dua jenis bahan yaitu bahan jenis-N dan bahan

jenis-P. Pada bahan jenis-N memiliki jumlah elektron bermuatan negatif yang berlebih.

Sedangkan bahan jenis-P terdapat lubang yang bermuatan positif. Jika ujung bahan jenis-P

dihubungkan dengan kutub positif rangkaian dan bahan jenis-N dihubungkan dengan kutub

negatif rangkaian, maka elektron dari bahan jenis-N bergerak ke arah bahan jenis-P. Elektron

yang bergerak ke bahan jenis-N sebagian akan terjatuh ke lubang dari bahan jenis-N sehingga

lubang tertutup. Persitiwa ini disebut sebagai peristiwa rekombinasi. Peristiwa rekombinasi ini

membebaskan energi elektron yang dapat berubah menjadi cahaya.

Dalam konsep fisika modern terjadinya pemancaran foton ditinjau berdasarkan energi

elektron hanya berhubungan dengan atom bebas elektron yang mempunyai nilai energi tertentu.

Timbulnya energi foton pada dalam atom disebabkan adanya proses eksitasi elektron dari orbital

tertinggi ke orbital terendah. Ketika elektron bereksitasi dari orbital tertinggi ke orbital terendah,

maka akan disertai dengan pelepasan energi berupa foton. Hal ini karena elektron yang berada di

orbital yang dekat dengan inti memiliki energi yang lebih besar daripada elektron yang berada

pada obital yang jauh dari inti. Namun lain halnya dengan semikonduktor, dalam konsep fisika

semikonduktor proses pemancaran foton harus disertakan konsep pita energi, buka hanya tingkat

energi tersendiri pada sebuah atom tunggal. Jika sebuah elektron tereksitasi oleh listrik dari pita

valensi ke pita konduksi, maka elektron tersebut dapat dengan mudah bergabung dengan sebuah

lubang (elektron masuk dalam daerah bahan jenis-P). Saat penggabungan ini terjadi, suatu foton

berenergi Eg (energi gap) dipancarkan.

Gambar 5. Emisi dai sebuah semikonduktor

Pita konduksi

c

hhfEg Eg

lubang

elektron

Pita valensi

Panjang gelombang foton yang dipancarkan dapat diketahui melalui persamaan :

Sebaliknya pada efek fotolistrik, sebuah elektron pada pita valensi dapat menyerap

sebuah foton cahaya yang datang dan masuk ke pita konduksi kemudian meninggalkan sebuah

lubang. Energi yang diserap dapat digunakan untuk menjalankan sebuah rangkaian listrik

tertutup.

Gambar 6. Absorpsi cahaya

Dari persamaan (1) tersebut dapat pula diketahui bahwa panjang gelombang yang

dipancarkan oleh foton bergantung pada energi celah antara pita valensi dengan pita konduksi.

Panjang gelombang yang berbeda menyebabkan timbulnya beragam warna cahaya. JIka sebuah

LED dibuat menggunakan sambungan p-n based on a certain Ga-As-P bahan semiconducting,

maka memiliki energi celah 1,9 eV. Panjang gelombang foton/cahaya yang dipancarkan adalah :

Dari nilai panjang gelombang ini dapat diketahui warna cahaya yang dipancarkan adalah warna

merah.

Pita konduksi

Eg

lubang

elektron

Pita valensi

Foton yang diserap

…………………………………… (2)

D. Kesimpulan

1. Jika ditinjau dari konsep fisika modern prinsip kerja LED berbeda dengan prinsip kerja efek

fotolistrik dimana pada efek fotolistrik cahaya/foton meghasilkan elektron, sedangkan LED

mengubah energi listrik menjadi energi cahaya.

2. Spektrum panjang gelombang yang dihasilkan oleh LED berada pada spektrum cahaya

tampak sehingga dapat dilihat pola warna yang hasilkan dari cahaya LED.

3. Proses terjadi eksitasi elektron pada led hingga menghasilkan cahaya pada semiknduktor

dapat dijelaskan melalui perpaduan konsep pita energi dan konsep eksitasi pada atom

elektron bebas.

Daftar Pustaka

[2] http://electronics.howstuffworks.com/led.htm

[3] Halliday, Resnick, Walker. 1997. Fundamentals Of Physics Extended. Fifth Edition

Penerbit : John Wiley & Sons.

[4] Sutrisno, 1986. Elektronika Teori dan Penerapannya. Jilid 1. Penerbit : ITB

[5] Searwey, 2010. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jilid 3. Penerbit : Salemba Teknika

[6] William S.,Ronald G. 2006, Schaums Outlines Fisika Modern. Penerbit : Erlangga

[7] Barmawi, Tjia. 1986. Aproksimasi rangkaian semikonduktor. Penerbit : Erlangga