Band Gap (Pita Energi) Semikonduktor

BAND GAP (PITA ENERGI) SEMIKONDUKTOR Ressa Muhripah Novianti* (140310140021) Silmi Nurul Utami (140310140027) Program Studi Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran Selasa, 08.00 – 10.00 WIB 15 November 2016 Asisten : Febrian Affandi, S.Si. Abstrak Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Salah satunya adalah germanium yang dijadikan sebagai objek percobaan yang akan dihitung nilai energi gap dan juga konduktivitasnya. Percobaan dilakukan dengan memberikan energi termal pada germanium dan mecatat nilai tegangan yang terjadi setiap perubahan suhu 3ᴼC. Dari hasil percobaan didapat nilai konduktivitas yang semakin besar seiring dengan bertambahnya energi termal (suhu) namun nilai tegangan pada bahan semakin kecil hal ini karena semakin besar energi termal yang diberikan semakin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi dan semakin banyak elektron pada pita konduksi maka semakin mudah germanium dalam menghantarkan arus listrik sedangkan beda potensial yang terjadi pada bahan semakin kecil. Seiring dengan bertambahnya energi termal yang diberikan maka energi gap bahan tersebut semakin kecil karena energi termal merupakan energi tambahan bagi elektron untuk berpindah ke pita konduksi. Didapat nilai energi gap dan energi gap grafik yang cukup jauh yang direpresentasikan melalui KSR yang berada pada rentang 79% sampai 96%. Kata kunci: semikonduktor, germanium, energi gap, pita valensi, pita konduksi, konduktivitas.

I. Pendahuluan Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Tentunya bahan semikonduktor ini mempunyai energi band yang berbeda dari bahan yang lainnya. Perbedaan energi pada pita terlarang ini dipengaruhi oleh sifat dasar dari bahan dan struktur atom yang menempati ruang pada bahan itu. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal adalah silicon, germanium, dan gallium arsenide. Germanium adalah salah satu bahan yang digunakan untuk membuat bahan komponen semikonduktor. [1] Adapun tujuan dari percobaan ini adalah untuk melakukan eksperimen untuk memperoleh band gap (pita energi) semikonduktor, menghubungkan konsep band gap semikonduktor dengan kondisi intrinsic dan kondisi ekstrinsik, menghitung nilai band gap dari semikonduktor (Germanium) berdasarkan hasil eksperimen, serta mengetahui pengaruh suhu terhadap band gap germanium. [3]

dinaikkan maka semikonduktor dapat menghantarkan arus listrik. Ditinjau dari jenis pembawa muatan yang menghantarkan listrik didalamnya, bahan semikonduktor dapat dibedakan menjadi bahan semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.. [1] Bahan semikonduktor intrinsik adalah germanium dan silikon. Elektron valensi pada germanium lebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom silikon. [1] 2.2. Konsep Pita Energi Pita energi merupakan kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling berimpit dan membentuk pita. Ada 3 macam pita energi yaitu : 1. Pita Valensi 2. Pita Konduksi 3. Pita Terlarang

II. Teori Dasar 2.1. Semikonduktor Semikonduktor adalah suatu bahan yang memiliki sifat antara isolator dan konduktor. Celah terlarang (band gap) pada semikonduktor lebih sempit daripada isolator sehingga apabila temperatur

Gambar 1. Pita Energi

Bahan konduktor tidak mempunyai pita terlarang, antara pita valensi dan pita konduksinya bisa saling bertumpuk sehingga elektron-elektron dapat mudah bergerak dengan bebas. [2] Bahan semikonduktor mempunyai pita terlarang yang sempit. Dengan energi kecil pun elektron pada pita valensi dapat berpindah ke pita konduksi. Sedangkan bahan isolator mempunyai pita terlarang yang cukup lebar sehingga untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi diperlukan energi yang cukup besar. [2] 2.3. Konduktivitas Konduktivitas merupakan ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik dan dirumuskan dengan perumusan : 1 𝐿 .𝐼 𝜎= = … … (1) 𝜌 𝐴 .𝑉 V = tegangan listrik (volt) I = arus listrik (ampere) A = luas permukaan bahan (𝑚2 ) L = panjang bahan (m) 𝜎 = konduktivitas (1/Ωm) 𝜌 = resistivitas (Ωm) Nilai konduktivitas pada bahan semikonduktor merupakan fungsi dari suhu dan dapat dinyatakan dalam fungsi eksponensial : −𝐸𝑔

𝜎 = 𝜎𝑜 𝑒 2𝑘𝑇 … … (2) Logaritma dari persamaan ini adalah : 𝐸𝑔 ln 𝜎 = ln 𝜎𝑜 − … … (3) 2𝑘𝑇

Percobaan ini dilakukan untuk penaikan suhu dan penurunan suhu, dan langkah-langkah tersebut diulangi untuk arus 6 mA dan 7 mA.

IV. Hasil dan Pembahasan Dari percobaan didapatkan data berupa nilai tegangan (V) dan juga suhu (T). Dengan data tersebut dihitung nilai konduktivitas (𝜎) dan nilai energi gap (Eg) dengan perumusan sebagai berikut : 𝜎=

L = panjang bahan = 0.02 m A = luas permukaan bahan = 0.0002 𝑚2 Untuk menghitung energi gap didasarkan pada perumusan : 𝐸𝑔 ln 𝜎 = ln 𝜎𝑜 − … … (2) 2𝑘𝑇 𝜎0 = 2.17391/Ω𝑚 𝑘 = 0.00008617 𝑒𝑉/𝑘 Dan untuk membandingkan nilai energi gap tersebut maka dihitunglah besarnya nilai energi gap grafik dari grafik konduktivitas terhadap suhu, dengan menggunakan perumusan : 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏 … … (3) 𝑏=

III. Metode Percobaan Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan yaitu modul efek Hall keping germanium undoped sebagai objek semikonduktor, power supply 0-12V DC/6V, 12V AC sebagai sumber arus rangkaian, tripod base dan support rod square I = 250 mm, digital multimeter untuk mengukur tegangan rangkaian secara digital, serta kabel penghubung sebagai penghubung rangkaian. Prosedur Percobaan Untuk melakukan percobaan dilakukan dengan menghubungkan modul efek hall keping germanium ke sumber tegangan 12V AC dan menghubungkan voltmeter pada modul efek Hall keping germanium tersebut untuk mengukur adanya perubahan tegangan akibat adanya pengaruh penaikan dan penurunan suhu. Mengeset nilai arus sebesar 5 mA dan barulah kemudian mulai melakukan pengukuran dengan menekan switch pemanas koil pada bagian belakang modul efek hall keping germanium. Setelah itu mengamati dan mencatat perubahan tegangan yang terjadi setiap perubahan suhu senilai 3ᴼC dan pengukuran dilakukan sampai suhu 170ᴼC.

𝐿 .𝐼 … … (1) 𝐴 .𝑉

−𝐸𝑔 … … (4) 2𝑘𝑇

𝐸𝑔 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑘 = −𝑏 . 2𝑘𝑇 … … (5) Sehingga didapat lah sample data sebagai berikut : Tabel 1. Untuk variasi arus 5 mA I = 5 mA Suhu (ᴼC)

V (volt) σ (1/Ωm) Eg (eV)

Eg grafik (eV) KSR (%)

30

0.094

5.319

-0.0467

-0.7412

94%

33

0.091

5.495

-0.0489

-0.7485

93%

36

0.085

5.882

-0.0530

-0.7559

93%

39

0.081

6.173

-0.0561

-0.7632

93%

42

0.075

6.667

-0.0608

-0.7706

92%

45

0.071

7.042

-0.0644

-0.7779

92%

Tabel 2. Untuk variasi arus 6 mA I = 6 mA Suhu (ᴼC) V (volt) σ (1/Ωm) Eg (eV) Eg grafik (eV) KSR (%) 60

0.059

10.16949

-0.0885

-1.9002

95%

63

0.057

10.52632

-0.0913

-1.9173

95%

66

0.056

10.71429

-0.0932

-1.9344

95%

69

0.051

11.76471

-0.0995

-1.9515

95%

72

0.049

12.2449

-0.1028

-1.9686

95%

75

0.047

12.76596

-0.1062

-1.9857

95%

Tabel 3. Untuk Variasi arus 7 mA

Grafik 4. Konduktivitas terhadap Penurunan Suhu I=6 mA

I = 7 mA Suhu (ᴼC) V (volt) σ (1/Ωm) Eg (eV) Eg grafik (eV) KSR (%) 135

0.033

132

0.032

129 126 123

0.032

120

0.033

21.21212 -0.16018 -0.885262325 21.875

82%

-0.16115 -0.878753043

82%

0.033

21.21212 -0.15782 -0.872243761

82%

0.033

21.21212 -0.15665 -0.865734479

82%

21.875

-0.15757 -0.859225198

82%

21.21212 -0.15429 -0.852715916

82%

Dan didapatlah grafik konduktivitas terhadap suhu sebagai berikut : Grafik 1. Konduktivitas terhadap Penaikan Suhu I=5 mA

Grafik 2. Konduktivitas terhadap Penurunan Suhu I=5 mA

Grafik 5. Konduktivitas terhadap Penaikan Suhu I=7 mA

Grafik 6. Konduktivitas terhadap Penurunan Suhu I=7 mA

Grafik 3. Konduktivitas terhadap Penaikan Suhu I=6 mA Sedangkan untuk melihat hubungan tegangan dengan suhu didapatlah grafik tegangan terhadap suhu sebagai berikut : Grafik 7. Tegangan terhadap Penaikan Suhu

Grafik 8. Tegangan terhadap Penurunan Suhu

gap grafik hal ini terlihat dari perolehan nilai KSR (Kesalahan Relatif) yang cukup besar yaitu berapa pada rentang 79%-96%. Hal ini dapat dikarenakan beberapa faktor salah satu diantaranya mungkin karena kondisi bahan yang digunakan seperti modul efek hall keping germanium, dan multimeter yang digunakan untuk mengukur tegangan dalam keadaan kurang baik

V. Kesimpulan

Dari hasil percobaan tersebut didapat nilai tegangan (V) yang semakin kecil seiring dengan adanya penambahan suhu, hal tersebut pun terlihat dari grafik hubungan antara tegangan terhadap suhu dimana keduanya berbanding terbalik dari grafik terlihat bahwa seiring dengan adanya peningkatan suhu nilai tegangan pada bahan semikonduktor semakin menurun. Karena pengaruh pemberian energi termal (pemanasan) dapat menyebabkan beda potensial yang terjadi pada bahan semakin kecil. Sedangkan bila dilihat nilai konduktivitasnya (𝜎), nilai ini berbanding lurus dengan variabel suhu hal tersebut terlihat dari tabel percobaan dan grafik hubungan antara konduktivitas terhadap suhu. Dimana semakin panas suhu yang diberikan pada bahan germanium maka nilai konduktivitas germanium pun semakin meningkat sedangkan nilai energi gap nya semakin kecil. Energi gap itu sendiri merupakan energi yang dibutuhkan agar elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, Karena pemberian energi termal (pemanasan) menjadi energi tambahan agar elektron pada pita valensi dapat berpindah ke pita konduksi, sehingga apabila energi termal ini semakin besar maka energi gap germanium semakin kecil. Semakin besar energi termal yang diberikan akan menyebabkan semakin banyak elektron yang berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, apabila semakin banyak elektron pada pita konduksi maka semakin besar pula kemampuan germanium ini untuk dapat menghantarkan arus listrik yang diindikasikan dengan nilai konduktivitas yang semakin besar. Kemudian pengaruh dari efek pemberian variasi arus dapat berpengaruh terhadap nilai konduktivitas germanium. Karena nilai konduktivitas ini berbanding lurus dengan nilai arus seperti terlihat pada perumusan (1). Semakin besar arus yang diberikan yang disertai dengan pemberian energi termal yang meningkat menyebabkan bahan germanium ini semakin konduktif atau semakin besar kemampuan germanium ini dalam menghantarkan arus listrik. Hal ini berkaitan dengan proses berpindahnya elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Dilihat dari perolehan nilai energi gap didapat nilai energi gap yang cukup jauh dengan nilai energi

5.1.Dapat melakukan eksperimen untuk memperoleh band gap (pita energi) semikonduktor dengan menggunakan germanium sebagai bahan semikonduktor yang diberikan energi termal dan diukur nilai tegangan yang terjadi pada bahan. 5.2. Memperoleh hubungan band gap dengan kondisi intrinsik dan ekstrinsik dimana semakin besar energi termal yang diberikan merupakan kondisi intrinsik karena terjadi peningkatan nilai konduktivitas secara signifikan namun nilai band gap itu sendiri tidak terpengaruh oleh kondisi intrinsik dan ekstrinsik. 5.3. Dapat menghitung nilai energi gap germanium dari hasil percobaan dengan melihat pengaruh nilai konduktivitas dan suhu dimana semakin besar nilai suhu mengakibatkan nilai konduktivitas yang semakin besar namun nilai energi gap nya semakin kecil. 5.4. Dengan memberikan energi termal pada germanium dapat mengetahui pengaruh suhu terhadap band gap dimana semakin besar energi termal yang diberikan tidak mempengaruhi band gap germanium hanya mempengaruhi energi gap germanium.

Daftar Pustaka [1] Ririn, Fitriana. Band Gap Germanium diakses dari web http : // www. slideshare. Net /mobile /gam79/ laporan-awal-band-gap pada tanggal 28 Oktober 2016 pukul 20.00 WIB. [2] Dana Santika. Perbedaan Isolator Semi konduktor dan Konduktor diakses dari web http : //www.academia.edu/9874896/ Perbedaan – Isolator – Semikonduktor – dan – Konduktor pada tanggal 28 Oktober 2016 pukul 20.05 WIB. [3] Dita. Band Gap diakses dari web http : dokumen. Tips/documents/awal-band-gap-dita.html pada tanggal 28 Oktober 2016 pukul 20.15 WIB.