LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155BAB 1PENDAHULUAN1.1 LATAR BELAKANG Seiring berjalannya waktu, keberadaan davis elektronik yang mampu meringankan atau memanjakan penggunanya sangatlah diperlukan. Devis elektronik tersebut tentunya terdiri dari IC maupun komoponen pendukung lainnya. Keberadaan IC sudah sangat umum pada peralatan elektronik terlebih lagi dalam keperluan otomatisasi. Karena pada umumnya IC dibuat dari bahan semikonduktor yang mana sewaktu-waktu dapat diatur sifatnya sesuai keinginan penggunanya, yakni dapat dijadikan senbagai konduktor ataupun isolator. Hal tersebut juga tentunya bergantung terhadap beberapa parameter-paraeter fisika yang ada, contohnya adalah temperatur. Nilai konduktivitas yang dimiliki bahan semikonduktor yang senantiasa berubah-ubah berdasarkan konsidi sistem adalah dapat diukur dengan terlebih dahulu mengukur parameterparameter linkungan yang ada yang tentunya mempengaruhi konduktivitas bahan tersebut sehinggan nilai konduktivitas bahan semikonduktor dapat ditentukan. Oleh sebab itu pada praktikum ini akan dibahas mengenai kehantaran semikonduktor, yang mana dari sampel yang ada dan dengan mengkondisikan sistem akan dapat menentukan konduktivitas atau kehantaran dari bahan semikonduktor tersebut. 1.2 TUJUAN 1. Untuk mengetahui prinsip kerja termistor 2. Untuk mengetahui karakteristik semikonduktor 3. Untuk mengetahui aplikasi semikonduktor 4. Untuk mengetahui jenis-jenis semikonduktorBAB 2TINJAUAN PUSTAKADalam bab ini telah kita lihat bahwa susunan semikonduktor serupa dengan susunan isolator kecuali bahwa dalam semikonduktor celah pita lebih sempit. Celah pita untuk semikonduktor biasanya berkisar dari 0,2 eV sampai 2,5 eV, sedangkan celah pita isolator khas seperti intan sekitar 6 eV. Akibatnya, tidak seperti dalam isolator, semikonduktor menunjukkan hantaran listrik sedang pada temperatur kamar. Umumnya istilah semikonduktor digunakan untuk segolongan bahan yang penghantarnya ( konduktivitas ) berada di antara penghantar dan isolator. Pada temperatur kamar, tahanan penghantar yang baik sekitar 10-6 cm, sedangkan tahanan semikonduktor berkisar 10-3 sampai 106 cm. Isolator yang baik, sebaliknya mempunyai tahan sekitar 1012 cm. Disamping itu semikonduktor memiliki sifat-sifat berikut: Semikonduktor murni memiliki koefisien temperatur yang negatif dengan resistansi tidak seperti logam yang memiliki resistansi dengan koefisien temperatur positif. Semikunduktor memberikan daya termolistrik yang tinggi dengan tanda positif atau negatif relatif terhadap logam bersangkutan. Hubungan (juction) antara semikonduktor jenis p dan semikonduktor jenis n menunjukkan sifat-sifat penyearahan Semikonduktor bersifat peka cahaya, membangkitkan baik tegangan foto maupun perubahan resistansi akibat penyinaran cahayaUnsur-unsur germanium ( Ge ) dan silikon ( Si ) dianggap sebagai semikonduktor dasar. Germanium telah digunakan untuk hampir semua peralatan benda padat seperti transistor, tetapi baru-baru ini hampir semua diganti dengan silikon, karena tersedianya silikon tidak terbatas. Disamping itu, rangkaian terpadu ( IC ) pada elektronik saat ini dibuat dari silikon.Disamping unsur-unsur semikonduktor, masih ada semikonduktor senyawa yang dengan berhasil digunakan untuk perbuatan peralatan elektronika. Senyawa semikonduktor yang penting adalah sulfida kadnium ( CdS ), sulfida timah ( PbS ), tellurida timah (PbTe ), antimonida indium( InSb ), arsenida gallium ( GaAs ), fosfida indium ( InP ) dan sebagainya. Diantara senyawa-senyawa ini, Cds telah digunakan sebagai pengukuran cahaya; PbS dan PbTe digunakan dalam detektor inframerah. GaAs telag digunakan dalam pembuatan transistor, laser benda padat dan beberapaLABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155peralatan frekuensi tinggi khusus. Beberapa senyawa semikonduktor membentuk campuran ( alloy ) yang mempunyai sifat-sifat yang penting. Mereka dikenal sebagai semikonduktor alloy. Di antara semikonduktor alloi, arsenida indium gallium ( Gax In1-x As ) digunakan sebagai alatalat frekuensi tinggi dan alat-alat optik, tellurida kadnium merkuri ( Hg1-x Cdx Te ) digunakan untuk pembuatan detektor inframerah yang efisien, dan fosfida arsenida gallium ( GaAsx P1-x ) digunkan untuk pembuatan dioda pemancar cahaya ( LED ). Kalau penghantar semikonduktor terutama hanya ditentukan oleh pembawa yang dibangkitkan panas, maka semikonduktor ini disebut semikonduktor murni atau intrisik. Kalau semikonduktor murni dijaga tetap pada 0oK, pita valensinya terisi penuh dan pita hantaran sama sekali kosong, karena energi panas dari elektron sama dengan nol, karena itu pada 0 o K semikonduktor murni bersifat isolator. Sebaliknya, kalau semikonduktor murni dijaga pada temperatur kamar, beberapa elektron pita valensi memperoleh cukup energi, melompat ke dalam pita hantaran, dan menjadi bebas. Tempat-tempat kosong yang terbentuk dalam pita valensi dari semikonduktor kalau beberapa elektron pita valensi melompat ke dalam pita hantaran yang diberi istilah lobang ( hole ). Lobang membawa muatan yang besarnya sama dengan muatan elektron dan jumlah elektron terbangkitkan panas selalu sama dengan jumlah lobang. Jadi, ni dan pi berturut-turut menunjukkan konsentrasi elektron dan lobang, maka ni = pi. Persamaan ni atau pi dinamakan konsentrasi pembawa intrinsik. Elektorn dalam pita hantaran dan lobang-lobang dalam pita valensi bebas dan bergerak dalam kristal secara acak akibat energi panas. Tegangan luar yang di berikan ke semikonduktor digabung dengan gerakan panas acak elektron dan lobang menghasilkan kecepatan simpangan ( drift ). Kecepatan ini menaikkan aliran arus. Jadi, kalau semikonduktor dihubungkan kebaterai, arus disusun oleh elektron-elektron bebas dalam pita hantaran dan lobang-lobang bebas dalam pita valensi. Elektron bergerak menuju elektroda positif sedangkan lobang-lobang bergerak menuju elektroda negatif dari baterai. Arus yang disebabkan oleh gerakan kebalikan dari dua pembawa muatan ini saling menambahkan, karena lobang membawa muatan positif. Dalam peristiwa semikonduktor kovalen Ge dan Si, pembangkit elektron dan lobang dan geraknya dapat dimengerti dengan menganggap susunan kristal. Germanium merupakan unsur grup IV dari tabel periodik, sehingga masing-masing atom mempunyai empat elektron valensi. Elektron-elektron valensi dipegang oleh ikatan-ikatan kavalen dengan lektron-elektron valensi dari empat atom germanium berdekatan. Kalau satu elektron valensi menerima energi panas yang cukup maka elektron tersebut memutuskan ikatan kovalennya dan menjadi bebas. Satu pasangan elektron lobang dengan demikian muncul. Kalausatu lobang terbentuk, maka elektron valensi yang berdekatan, yang mempunya energi panas yang cukup dapat melompat ke dalamlobang tersebut dan terbentuk kembali ikatan. Dalam hal ini, elektron tersebut membuat lobang pada kedudukan sebelumnya. Hal ini mengakibatkan gerakan lobang dari kedudukan A ke kedudukan B. Jadi, gerakan lobang terjadi menurut arah yang berlawanan dengan arah elektron valensi.[1] Seperti yang telah dibahas sebelumnya, untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan pita konduksi di antaranya adalah diperlukan medan. Sebagai contoh: Si mempunyai celah energi 1 eV ini adalah diperkirakan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak lebih kurang 1 Ao ( 10-10 m ). Maka dari itu, diperlukan gradien medan lebih kurang 1 V / 10-10 m untuk menggerakkan elektron dari bagian atas pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun gradien sebesar itu adalah kurang prkatis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yang tumpang tibdih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada jga beberapa elektron yang melintasi celah energi dan hal ini yang menyebabkan terjadinya semikonduksi. Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh tambahan. Kristal-ktristal Si dan Ge murni adalah semi onduktor intrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas pita valensi ke bagian pita konduksi karena energi termal adalah penyebab konduksi. Banyak elektron yang terkuat untuk bergerak melintasi celah energi dapat dihitung distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut: P (E) = 1/ ( 1 + e ) (E-Ef) / K.T Ef adalah tingkat fermi K adalah konstanta Boltzman sebesar 8,64 . 10-5 eV/oK E Ef adalah sama dengan Eg / 2 Eg adalah besaran celah energi termal KT pada suhu kamar ( 0,026 eV ) Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan 2.3 di atas dapat di tulis: P (E) = e(-Eg / 2KT ) (2.2) Pada suhu 0oC semua elektron berada pada pita valensi. Pada keadaan ini kemungkinan adanya elektron di daerah 0 > E > Ef adalah 10o0 % atau P ( ) = 1; semua keadaan terdapat elektron. Untuk E > Ef >, P ( E ) = 0 kemungkinan adanya elektron di daerah E > Ef adalah 0%, semua kedaan di atas Ef adalah kosong kalau energi elektron E sama besarnya dengan kemungkinan N = N e9-Eg/2KT P( E), maka dapat (2.3) dtuliskan bahwa energi banyaknya elektron n yang melaui celah energi adalah: Karena perpindahan elektron-elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lobang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut. Suatu semikonduktor intrinsik (2.1)LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian, elektron yang lari ke pita konduksi dari pita valensi, misalnya karena panas dapat dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang sama lubang-lubang pad pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semikonduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh. Pada semikonduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan bahan penambah atau pengotoran dari luar ( extraneous impurities). Proses penyuntikan bahan tambahan terhadap semikonduktor murni disebut doping. Penambahan bahan tersebut kepada semikonduktor murni akan meningkatkan konduktovitas semikonduktor. Suatu kristal silikon yang didoping dengan elemen kolom 5 oada susunan berkala seperti P, As, atau Sb. Elektron dari atom posfor adalah bergerak pada medan listrik dari kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini membawa akibat konstanta Plack dielektrik dari kristal pada perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar yaitu kira 80 Ao dibandingkan 0,5 Ao dari orbit hidrogen. Ini dapat diartikan bahwa elektron ke-5 tersebut bebas dan tingkat energinya berdekatan terhadap pita konduksi. Eksistansi elektron ke 5 ke dalam pita konduksi lebih cepat terlaksana daripada eksistansi dari pita valensi kristal Si. Atom P dinamakan mendonorkan elektronnya pada semikonduktor. Tingkat energi dari elektron ke-5 dinamakan tingkat ke-5 dinamakan tingkat donor. Semikonduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada kolom 4 ( mendonorkan muatan negatif ) disebut semikonduktor tipe-n. Energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron ke5 masuk ke dalam pita konduksi disebut energi ionisasi. Dibandingkan dengan celah energi, besarnya energi ionisasi dari atom pengotor adalah sangat kecil. Pada suhu kamar, elektronelektron tingkat donor sudah dikeluarkan dari pita valensi masuk ke dalam pita konduksi. Kumpulan elektron yang dikeluarkan dari pita valensi pada proses intrinsik. Sesuai dengan hukum gerakan massa, hasil dari banyaknya elektron-elektron pada pita konduksi dan banyaknya lubang pada pita valensi harus konstan. Kondisi ini secara akan mengurangi banyaknya lubang pada semikonduktor tipe-n. Elektron-elektron pada pita konduksi menjadi pembawa muatan mayoritas ( majority charge carries ). Sedangkan proses doping kristal Si dengan elemen-elemen kolom 3 antara alain : Ga, Al, In, dapat dijelaskan sebagai berikut: Aluminium mempunyai 3 elektron pada orbit terluarnya. Sedangkan untuk menyisipkan Si pada kristal ini Al memerlukan elektron ekstra untuk melengkapkan ikatan sekelilingkanya menjadi tetra hedral ( mengikat 4 atom Si ). Elektron ekstra ini dapat diperoleh dari atom Si yang terdekat sehingga menimbulkan lubang pada Si. Atom Al dengan elktron dapat dianggap berputar mengelilingi atom Al. Pada suhu 0o, lubang tetap terikat pada atom pengotor. Kalau suhudinaikkan, lubang-lubang akan terlepas dari atom-atom pengotor dan menjadi konduksi. Energi ionisasi untuk sebuah ikatan lubang bebas ke pengotorannya kira-kira sama dengan energi ionisasi dari elektron-elektron donor pada kristal yang sama. Tingkat ikatan lubang disebut tingkat akseptor dan selalu di atas pita valensi. Kumpulan lubang-lubang diusahakan dengan eksistasi termal pada Si yang di doping adalah jauh lebih besar daripada yang diusahakan dengan eksitasi dari elektron pada pita konduksi. Menurut hukum gerakan massa, di sini lubang-lubang positif sebagai pembawa mayoritas muatan. Dengan demikian semikonduktor ekstrinsik disebut semikonduktor tipe-p. Pada semikonduktor ekstrinsik, banyaknya elektron pada pita konduksi dan banyaknya lubang pada pita valensi adalah tidak sama apakah elektron atau yang lubangnya lebih dominan tergantung dari tipe proses ekstrinsiknya[2]. Semua macam bahan bahan mempunyai bahan vakum yang sama. Celah energy antara tingkatan Fermi dari sebuah bahan dan tingkatan vakum disebut fungsi kerja. Dimensinya seperti energy, biasanya digunakan satuan eV. Pada komponen yang memiliki tegangan-berrier seperti tersebut di atas, arus mengalir dalam berbagai jalan tergantung pada polarisasi tegangan yang diberikan. Terdapat elektron-elektron yang dapat berpindah bebas antara logam dan semikonduktor. Elektron-elektron yang berada dalam tingkapan energi diatas EF + m berada di dalam logam dan elektron dengan tingkapan energi di atas EC + qVD berada dalam semikonduktor, yang dapat bergerak bebas, sebab tidak ada barrier yang menghalangi mereka. Dan pula kedua tingkapan energi EF + m dan EC + qVD berada di atas EF dengan jarak yang sama, yaitu m = EC + qVD EF. Maka konsentrasi elektron pada logam dan pada semikonduktor sama. Sepertinya yang telah diuraikan dengan statistik Fermi, karena di situ tidak ada perbedaan konsentrasi, elektron-elektron yang mengalir dari logam ke semikonduktor mempunyai konsentrasi yang sama dengan arah sebaliknya, maka arus saling menghapuskan, yang menghasilkan arus nol. Dengan bias yang diberikan, semikonduktor mempunyai tingkapan energi qV yang lebih tinggi daripada logam. Akibatnya elektron-elektron pada logam yang dinaikkan dengan M di atas EF dapat mencapai atau dapat melompati barrier, seperti yang terjadi tanpa bias, dan elektron-elektron Konsentrasi elektron dalam logam yang dapat berrier, sebagai berikut: nM = Nc e-(Efm + m Efm) / kT = Nc e-m/kT (2.4) dalam semikonduktor yang dapat melompati berrier terletak pada tingkatan Fermi dengan jarak qV.dan ns, yaitu konsentrasi elektron dalam semikonduktor, diturunkan sebagai berikut: ns = Nc e-(Ec +q(Vd V) Efs)/ kT (2.5)LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155M > Ec + q ( VD V ) EFS(2.6)maka nM < nS, maka konsentrasi elektron yang dapat melompati barrier lebih besar yang berlaku yang berada di dalam semikonduktor, dan hasilnya elektron-elektron dengan konsentrasi (nS nM) mengalir dari semikonduktor ke logam, meghasilkan arus dalam arah. Perbedaan konsentrasi elektron itu dapat diturunkan dari persamaan 2.6 dan 2.7 sebagai berikut nS nM = NC e-m/kT (eqV/kT 1) (2.7)di mana hubungan ; M = EC qVD EFS. Dari pembicaraan diatas terbukti bahwa perbedaan elektron naik sebanding dengan tegangan yang diberikan. Tegangan dalam semikonduktor lebih rendah dengan harga qV: maka tegangan berrier meningkat dari qVD ke q(VD + V), berarti didapat berrier lebih tinggi untuk elektron bebas dalam daerah netral. Konsentrasi elektron dalam logam yang dapatbmelompati barrier diberikan oleh persamaan 2.6, dengan jalan yang sama yang berada dalam semikonduktor diberikan seperti di bawah ini: nS = NC e-{Ec + q(Vd + V ) Efc}/kT yang berarti nS < nM maka: nS nM = - NC e-m/kT (e-qV/kT 1) (2.9) (2.8)hasilnya, elektron-elktron dengan konsentrasi (nM nS) mengalir dari logam ke semikonduktor, meghasilkan arus sebanyak dari arah persamaan 2.11 berlaku untuk harga V yang cukup besar, maka nS nM = - nM, yang berarti konsentrasi elektron yang dapat melompati berrier tidak terpengaruh oleh tegangan yang diberikan. Sebagai tambahan karena bagian teratas dari barrier sangat rendah. Maka dengan tegangan bias, hanya arus yang sangat kecil sesuai dengan nM yang merupakan harga tertinggi yang dapat mengalir dengan bias yang besar, yang merupakan sebaliknya.Hubungan p-n merupakan dasar-dasar dari elektronik semikonduktor. Sifat hubungan p-n harus dimengerti benar, ini penting karena merupakan kunsi agar dapat memahami elektronik semikonduktor. Hubungan p-n tidak besi dibentuk hanya dengan hubungan semikonduktor tipe p dan tipe n begitu saja. Akan didapat hubungan p-n bila kita rubah sebagian dari subtrat kristal menjadi tipe-n dengan menambahkan donor dan bagian yang lain menjadi tipe-p dengan menambahkan aseptor. Dengan kata lain harus mempunyai struktur kristal yang kontiniu. Ada beberapa cara untuk menghasilkan hubungan p-n yang mempunyai konsentrasi ketidakmurnian. Donor dan aseptor tidak dapat berpindah bebas pada temperatur normal. Aseptor membentuk semikonduktor tipe-p dan donor membentuk tipe-n yang disertai dengan jumlah hole dan elektron itu merupakan pembawa bebas yang dapat dinaikkan tingkatnya ke jalur konduksi dan juga dapat dalam jalurvalensi.Pembawa-pembawa ini berdifusi ke daerah yang mempunyai konsentrasi rendah dan berekombinasi satu sama lain. Misalnya karena hole dalam tipe-p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole tipe-n, mereka berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n. Proses yang sama terjadi pada elektron. Tetapi proses ini tidak terjadi terus-menerus. Ambillah misalnya pada hole. Bila ini meninggalkan tipe-p dan hilang kedaerah tipe-n karena berekombinasi, sebuah aseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p itu, yang membentuk muatan ruang negatif. Hal sama terjadi pula pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe-n, ini memangkitkan medan listrik yang mulai daru ruang bermuatan positif, berakhir pada ruang bermuatan negatif. Medan listrik ini menghambat hole untuk berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n, juga demikian pada elektron terhambat berdifusi dari tipe-n ke tipe-p. Akhirnya aliran pembawa berhenti setelah terdapat keseimbangan antara difusi dan hanyutan (drift) dari pembawa-pembawa yang disebabkan oleh medan listrik yang berlawanan arahnya. Keadaan itu disebut keadaan seimbang. Dalam keadaan seimbang di dalam hubungan p-n terbentuk daerah: Daerah tipe-p netral: daerah di mana jumlah hole sama dengan jumlah aseptor Daerah muatan ruang tipe-p: daerah di mana aseptor diionisasikan negatif Daerah muatan ruang tipe-n: daerah di mana donor diionisasikan positif Daerah tipe-n netral: daerah di mana jumlah donor sama dengan jumlah elektron Daerah-daerah (2) dan (3) bersama-sama disebut daerah muatan ruang atau lapisan deplesi atau dipole listrik. Dalam daerah ini terdapat medan listrik walaupun pada hubungan p-n tidak diberi tegangan. Medan ini disebut medan dalam atau medan builtng. Dalam kedua daerah netral tidak terdaMedan dalam, dapat ditentukan sebagai berikut: Jn adalah arus elektron, dalam keadaan seimbang sama dengan nol.[3] Ketika suatu sambungan dibentuk dari bahan semikonduktor tipe-n dan tipe-p, perangkat yang dihasilkan itu disebut dioda. Komponen ini memberikan resistansi yang sangat rendah terhadap aliran arus pada satu arah dan resistansi yang sangat tinggi terhadap aliran arus, pada arus yang berlawanan. Karakteristik ini memungkinkan dioda untuk digunakan dalam aplikasi-aplikasi yang menurut rangkaian untuk memberikan tanggapan yang berbeda sesuai dengan arah arus yang mengalir di dalamnya. Sebuah dioda ideal akan melewatkan arus tak terhingga pada satu arah dan sama sekali tidak melewatkan arus pada arah sebaliknya. Sebagai tambahan, dioda akan mulai mengalirkan arus apabila tegangan terkecil sekalipun diberikan. Dalam prakteknya, suatu tegangan yang sangat kecil yang harus diberikan sebelum aliran harus terjadi. Sebagian besar diode saat ini berdasarkan pada teknologi pertemuan p-n semikonduktor. Pada diode p-n, arus mengalir dari sisi tipe-p (anode) menuju sisi tipe-n (katode), tetapi tidak mengalir dalam arah sebaliknya. Tipe lainLABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155dari diode semikonduktor adalah diode Schottky yang dibentuk dari pertemuan antara logam dan semikonduktor (sawar Schottky) sebagai ganti pertemuan p-n konvensional. Karakteristik arustegangan dari dioda, atau kurva IV, berhubungan dengan perpindahan dari pembawa melalui yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan p-n di antara semikonduktor. Ketika pertemuan p-n dibuat, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak lubang yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi lubang yang ada, baik lubang dan elektron bebas yang ada lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan karenanya berlaku sebagai isolator.Walaupun begitu, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk setiap pasangan elektron-lubang yang bergabung, ion pengotor bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion pengotor bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk di dalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam pertemuan. Ada beberapa jenis dari diode pertemuan yang hanya menekankan perbedaan pada aspek fisik baik ukuran geometrik, tingkat pengotoran, jenis elektrode ataupun jenis pertemuan, atau benarbenar peranti berbeda seperti diode Gunn, diode laser dan diode MOSFET. Beroperasi seperti penjelasan di atas. Biasanya dibuat dari silikon terkotori atau yang lebih langka dari germanium. Sebelum pengembangan diode penyearah silikon modern, digunakan kuprous oksida (kuprox) dan selenium, pertemuan ini memberikan efisiensi yang rendah dan penurunan tegangan maju yang lebih tinggi tiap pertemuan, dengan banyak lapisan pertemuan ditumpuk untuk mempertinggi ketahanan terhadap tegangan terbalik), dan memerlukan benaman bahan yang besar (kadangkadang perpanjangan dari substrat logam dari dioda), jauh lebih besar dari diode silikon untuk rating arus yang sama. Dioda yang menghantar pada arah terbalik ketika tegangan panjar mundur melebihi tegangan dadal dari pertemuan P-N. Secara listrik mirip dan sulit dibedakan dengan diode Zener, dan kadang-kadang salah disebut sebagai diode Zener, padahal diode ini menghantar dengan mekanisme yang berbeda yaitu efek bandangan. Efek ini terjadi ketika medan listrik terbalik yang membentangi pertemuan p-n menyebabkan gelombang ionisasi pada pertemuan, menyebabkan arus besar mengalir melewatinya, mengingatkan pada terjadinya bandangan yang menjebol bendungan. Diodabandangan didesain untuk dadal pada tegangan terbalik tertentu tanpa menjadi rusak. Perbedaan antara diode bandangan (yang mempunyai tegangan dadal terbalik diatas 6,2 V) dan diode Zener adalah panjang kanal yang melebihi rerata jalur bebas dari elektron, jadi ada tumbukan antara mereka. Perbedaan yang mudah dilihat adalah keduanya mempunyai koefisien suhu yang berbeda, diode bandangan berkoefisien positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif. Ini sebenarnya adalah sebuah JFET dengan kaki gerbangnya disambungkan langsung ke kaki sumber, dan berfungsi seperti pembatas arus dua saluran (analog dengan Zener yang membatasi tegangan). Peranti ini mengizinkan arus untuk mengalir hingga harga tertentu, dan lalu menahan arus untuk tidak bertambah lebih lanjut. Secara umum dioda-cahaya ini mirip dengan PN-Junction, perbedaannya terletak pada persambungan yang diberi celah agar cahaya dapat masuk padanya. Dioda cahaya ini bekerja pada daerah reverse, jadi hanya arus bocor saja yang melewatinya. Dalam keadaan gelap, arus yang mengalir sekitar 10 A untuk dioda cahaya dengan bahan dasar germanium dan 1A untuk bahan silikon. Kuat cahaya dan temperature keliling dapat menaikkan arus bocor tersebut karena dapat mengubah nilai resistansinya dimana semakin kuat cahaya yang menyinari semakin kecil nilai resistansi dioda cahaya tersebut. Penggunaan dioda cahaya diantaranya adalah sebagai sensor dalam pembacaan pita data berlubang (Punch Tape), dimana pita berlubang tersebut terletak diantara sumber cahaya dan dioda cahaya. Jika setiap lubang pita itu melewati antara tadi, maka cahaya yang memasuki lubang tersebut akan diterima oleh dioda cahaya dan diubah dalam bentuk signal listrik. Sedangkan penggunaan lainnya adalah dalam alat pengukur kuat cahaya (Lux-Meter), dimana dalam keadaan gelap resistansi dioda cahaya ini tinggi sedangkan jika disinari cahaya akan berubah rendah. Untuk itu diperlukan sebuah multitester atau sebuah ohmmeter analog/ digital. Selain itu banyak juga dioda cahaya ini digunakan sebagai sensor sistem pengaman (security) misal dalam penggunaan alarm. Tegangan masukan Vin dipasang 1,5 volt, panjangcuplikan semikonduktor 1,5 10 2 m dengan luas pe-nampang 3, 6 10 4 m 2. Pengamatan suhu dimulai pada suhu jauh di bawah suhu kamar dengan caramenyelupkan cuplikan ke dalam campuran air dan es.Suhu cuplikan dapat dinaikkan dengan cara mengang-kat dari bejana pendingin dan bila telah mencapaisuhu kamar dapat mulai menggunakan alat pemanas.Pengamatan dilakukan untuk interval suhu sekurang-kurangnya 5 C. Dioda Varactor disebut juga sebagai dioda kapasitas yang sifatnya mempunyai kapasitas yang berubah-ubah jika diberikan tegangan. Dioda ini bekerja didaerah reverse mirip dioda Zener. Bahan dasar pembuatan diodaLABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155varactor ini adalah silikon dimana dioda ini sifat kapasitansinya tergantung pada tegangan yang diberikan padanya. Jika tegangan tegangannya semakin naik, kapasitasnya akan turun. Dioda varikap banyak digunakan pada pesawat penerima radio dan televisi di bagian pengaturan suara (Audio).[4] Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. 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 pendonor elektron).Untuk informasi bagaimana semikonduktor digunakan sebagai alat elektronik, lihat alat semikonduktor. Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopan. wzTooltipfLayoutInCell1fAllowOverlap1fBehindDocument0fIsButton1fHidden0fLayout InCell1Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam. Persiapan bahan semikonduktorSemikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahandalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) mengganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer.Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan. Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan. Perangkat semikonduktor adalah komponen elektronik yang mengeksploitasi elektronik sifat semikonduktor bahan, terutama silikon , germanium , dan gallium arsenide , serta semikonduktor organik. Perangkat semikonduktor telah menggantikan perangkat termionik (tabung vakum) dalam sebagian besar aplikasi. Mereka menggunakan elektronik konduksi dalam keadaan padat yang bertentangan dengan bentuk gas atau emisi termionik dalam vakum tinggi. Perangkat semikonduktor yang diproduksi baik sebagai perangkat diskrit tunggal dan sebagai sirkuit terpadu (IC), yang terdiri dari sejumlah-dari beberapa (serendah dua) hingga miliaran-perangkat diproduksi dan saling berhubungan pada semikonduktor tunggal substrat , atau wafer . Bahan semikonduktor sangat berguna karena perilaku mereka dapat dengan mudah dimanipulasi oleh penambahan kotoran, yang dikenal sebagai doping. Semikonduktor konduktivitas dapat dikendalikan oleh pengenalan medan listrik atau magnet, oleh paparan cahaya atau panas, atau oleh deformasi mekanik dari doped monocrystalline jaringan, dengan demikian, semikonduktor dapat membuat sensor yang sangat baik. Fototransistor memiliki struktur yang sama dengan transistor dimana basis diletakkan dijendela penerima cahaya. Bagian luar fototransistor memperoleh cahaya yang masuk kedalam kristal.LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155Energi cahaya itu akan menciptakan pasangan hole-elektron didalam basis dan menyebabkan transistor bekerja. Dengan demikian fototransistor itu dikontrol oleh cahaya dan bukan oleh arus basis. Fototransistor merupakan penerima cahaya yang berasal dari sumber cahaya (transmitter). Sifat isolator yang dimiliki oleh bahan semikonduktor juga merupakan salah satu kesimpulan yang dapat ditarik dari rendahnya nilai konduktivitas atau kehantaran dari bahan semikonduktor tersebut.[5]BAB 3METODOLOGI PERCOBAAN3.1Peralatan 1. PSA Simetris Fungsi: untuk mengukur tegangan 2. Multimeter Digital Fungsi: untuk mengukur tegangan 3. Termokopel Fungsi: sebagai sensor suhu 4. Kompor filament Fungsi: sebagai alat pemanas5. ProtoboardFungsi: sebagai tempat merangkai komponen 6. Statif Fungsi: sebagai penyangga 7. Penjepit Buaya Fungsi: untuk menghubungkan komponen ke peralatan 8. Panci Aluminium Fungsi: sebagai tempat untuk meletakkan sampel 9. TermometerFungsi: untuk mengukur suhu pada es batu3.2 Bahan dan Komponen1. Resistor Fungsi: sebagai hambatan 2. Kapasitor Fungsi: suatu komponen yang menyimpan muatan dalam medan listrik 3. Jumper Fungsi: untuk menghubungkan komponen satu ke komponen lain4. PotensiometerFungsi: untuk memvariasikan tegangan5. IC 356Fungsi: sebagai penguat tegangan6. Es BatuFungsi: sebagai sampel yang akan diukur suhunya 3.3 Prosedur 1. Dipersiapkan peralatan dan komponen yang akan digunakan dalam percobaan 2. Dirangkai peralatan seperti pada skema rangkaian dibawah ini:LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 201552 K Ohm2 K Ohm 220 K Ohm2 K OhmIC 356270 K Ohm3,3 MFPOTENSIOMET ER 10 K Ohm3. Ditetapkan tegangan sebesar 12 V 4. Dimasukkan es batu ke dalam panci aluminium 5. Diletakkan panci aluminium diatas kompor filament 6. Diukur suhu bahan dimulai dari 0oC menggunakan thermometer 7. Dimasukkan termokopel kedalam bejana 8. Dihidupkan kompor filament, multimeter digital, PSA Simetris secara bersamaan 9. Dilihat tegangannya saat thermometer menunjukkan suhu sebesar 5oC 10.Diulangi percobaan sampai thermometer menunjukkan suhu 50oC dengan interval 5oC 11.Dicatat tegangan yang dihasilkan pada kertas data 12.Dimatikan semua peralatan yang telah digunakan dan dikembalikan ke tempat awal3.3 ANALISA DATA 1. Buatlah table seperti di bawah ini:No 1 2 3 4 5 6T(K) 273 275 277 279 201 2831/T 0,0037 0,0036 0,0036 0,00358 0,00356 0,0035LnR 4 3,799 3,547 3,027 3,246 4.42T = 1/L n R 0,25 0,26 0,28 0,31 2 0,30 8 0,232. Buatlah grafik buktikan persamaannya: a.Dari grafik Ln R-vs-1/T, maka slope grafiknya: Slope = Ln R - Ln Ro ____________ 1/ To 1/T = Ln ( 1/R Ln 1/Ro) _________________ 1/T = Ln Ro Ln R ____________ 1/T Dengan : Ln R/Ro = - Eg / 2KT Ln R Ln Ro = - Eg/2KT TERBUKTIb. Slope grafik ( slope = Eg/2KT) Dari grafiknya Ln R vs 1/T, maka slope grafiknya:LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155Slope = Eg/2KT = Ln R Ln Ro ___________ 1/To 1/T = 4,42 4 ____________ 0,0037 0,0035 = 2,1 x 10 30K Slope =Slope untuk grafik T vs- 1/T T - To_________ 1/ To 1/T = 283 273 _____________ 0,0031 0,0035 = 10/0,0035 = 5 x 104 OKc. Menghitung nilai Eg dalam Joule dan Ev Eg/2K = 2,1 x 103 Eg = (2,1 x103) x 2(1,38 x 10-23)J/K = 5,796 x 10 -20 . 1,6 x 10-19 = 9,3 x 10-39eVBAB 5KESIMPULAN DAN SARAN5.1 Kesimpulan1. Prinsip kerja dari thermistor adalah sebagi berikut ini: Thermistor NTC ( Negative Temperature Coeficient ), apabila suhu naik maka hambatannya berkurang sehingga arus akan dapat mudah mengalirThermistor PTC ( Positive Temperature Coeficient ), besar hambatan akan naik dalam arti agak ekstrim dengan betambahnya temperatur. Ketika suhu naik dari titik temperatur ruang, tahanannya mungkin turun sedikit, namun pada temperatur yang ditentukan sebelumnya tahanan dibuat secara drastis.2. Karakteristik semikonduktor merupakan bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika yang digunakan untuk membuat dioda, transistor dan IC. Semikonduktor ada dua macam yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Pada semikonduktor intrinsik bahan penyusunnya biasanya terdiri dari atom Si atau germanium saja, atau dengan kata lain penyusunnya merupakann unsur murni. Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik penyusunnya merupakan campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur kelompok V dan III. 3. Aplikasi dari semikonduktor adalah bersifat isolator atau konduktor karenanya dapat digunakan untuk membuat komponen-komponen elektronika seperti dioda, transistor, resistor, kapasitor dan IC. 4. Jenis-jenis semikonduktor: semikonduktor intrinsik : semikonduktor yang masih murni atau belum bercampur dengan bahan atau unsur lain yang disebut dengan pengotor semikonduktor ekstrinsik: semikonduktor dengan penyusunnya adalah terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur kelompok V dan III.LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara J Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 201555.2 SARAN 1. Agar praktikum selanjutnya mengetahui prosedur percobaan 2. Agar praktikum selanjutnya teliti melakukan percobaan 3. Agar praktikum selanjutnya cermat melihat tegangan yang dihasilkan 4. Agar praktikum selanjutnya teliti menghitung analisa dataDAFTAR PUSTAKA[1] Chattopadhyay, D.1989.Dasar Elektronika.UI-Press:Jakarta. Hal: 84-101 [2] Muhaimin.2002. Bahan Bahan Listrik Untuk Politeknik.Pradnya Paramita:Jakarta. Hal: 84-89 [3] Rio, Reka.2004.Fisika Dan teknologi Semikonduktor.Pradnya Paramita:Jakarta. Hal: 55-60 [4] Tooley,Michael.2008.Rangkaian Elektronik Prinsip Dan Aplikasi.Erlangga:Jakarta. Hal: 81-85 [5] Soedojo, Peter.1988.Azas-Azas Ilmu Fisika.Universitas Gajah Mada:Yogyakarta. Hal: 113-115