BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Semikonduktor adalah benda padat yang memiliki resistivitas diantara nilai resistivitas konduktor dan nilai resistivitas isolator.Dalam banyak alat elektronik, maka semikonduktor digunakan untuk menyediakan sumber muatan yang bergerak dan untuk mementuk medium sehingga muatan yang mengalir dapat dikontrol. Silikon dan Germanium adalah semikonduktor yang paling sering digunakan, karena keduanya mempunyai valensi 4 dan mempunyai struktur kristal seperti intan. Dalam hal ini, maka gaya pengikat yang kuat terdapat diantara elektron – elektron valensi dan atom – atom dalam kristal tersebut. Dalam keadaan murni, tanpa adanya ketakmurnian kimia yang disebabkan adanya atom asing dan tanpa adanya ketaksempurnaan struktural, maka bahan – bahan ini dinamakan semikonduktor instrinsik. Walaupun kristal kristal Germanium dan Silikon adalah netral secara listrik, namun pemakaian bentuk dan kuantitas tenaga yang sesuai dapat digunakan untuk menghasilkan muatan yang bergerak, yang dinamakan pembawa (carrier), tanpa mengganggu kenetralan listrik dari sistem keseluruhan. Untuk menghasilkan jumlah pembawa yang besar adalah dengan memberikan kandungan ketidakmurnian yang dikontrol secara hati –hati kedalam semikonduktor tersebut.Semikonduktor yang ditambah kemurniannya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan listrik ditentukan oleh faktor konduktivitas, yang merupakan kebalikan resistivitas. Konduktivitas dapat dipengaruhi oleh suhu dan penyinaran. Selain itu juga konduktivitas dipengaruhi oleh jumlah dan jenis ketidakmurnian. Inilah yang melatarbelakangi dilaksanakannya percobaan ini untuk melihat kemampuan semikonduktor untuk menghantarkan listrik yng ditentukan oleh faktor koduktivitasnya. I.2 Ruang Lingkup Percobaan Pada percobaan Fotokonduktivitas ini dibatasi oleh bagaimana menghitung resistansi hambatan menggunakan LDR I.3 Tujuan Percobaan Adapun tujuan dari percobaan ini adalah : Menentukan respon waktu sel fotokonduktor Menentukan karakteristik kurva konduktivitas terhadap intensitas penyinaran suatu sel fotokonduktor Memahami mekanisme rekombinasi dalam sel dari suatu material I.4 Waktu dan Tempat Percobaan Percobaan fotokonduktivitas dilaksanakan pada hari Senin, 21 April 2014, pukul 13.30-15.00 WITA. Percobaan ini berlangsung di laboratorium Eksperimen Material dan Energi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Hasanuddin Makassar BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Semikonduktor Pada dasarnya konduktivitas suatu bahan sebanding dengan banyaknya elektron bebas (n) dalam bahan tersebut. Untuk konduktor yang bagus, n sangan besar (= 1028 elektron/m3) sedang untuk isolator sangat kecil (=107 elektron/m3) serta untuk semikonduktor terletak diantara dua nilai tersebut. Elektron valensi pada semikonduktor tidak dapat bergerak sebebas elektron valensi pada logam, karena terikat pada suatu ikatan antara dua ion. Silikon dan Germanium merupakan semikonduktor yang paling banyak dipakai. Struktur kristal dari kedua bahan tersebut terdiri atas sel-sel tiga dimensi yang seragam dan berbentuk tetrahedron dengan sebuah atom pada masing-masing sudutnya. Setiap atom Si dan Ge mempunyai 4 elektron pada pita valensi, yang dipakai untuk mengadakan ikatan dengan empat tetangganya. Inti yang diam sebagai ion positif dengan muatan +4q. Dalam keadaan suhu 0 K, ikatan ini tak terusik bahkan semikonduktor tak dapat menghantarkan listrik. Bila suhu naik, misalnya pada suhu kamar, maka elektron akan mendapat cukup tenaga untuk berpindah dari pita valensi kepita konduksi menjadi elektron bebas. Ikatan yang ditinggalkan (pita valensi) menjadi kekurangan satu elektron dan timbul kekosongan yang disebut lubang. Tenaga yang diperlukan untuk melepaskan ikatan ini adalah 0,72 eV untuk Ge dan 1,1 eV untuk Si pada suhu kamar. Lubang yang terjadi dengan mudah dapat diisi oleh elektron dari atom tetangganya, yang berati menciptakan lubang pada tempat sebelumnya. Sehingga demikian, lubang dapat bergerak sebagai pembawa muatan positif melawan arah gerak elektron. Dalam bahan semikonduktor murni jelas bahwa jumlah elektron sama dengan jumlah lubang, karena timbul bersama-sama. Dengan naiknya suhu kemungkinan terjadinya pasangan elektron dan lubang menjadi lebih besar. Sehingga bahan menjadi lebih mudah menghantarkan arus listrik. Jadi pada semikonduktor murni n=p=ni. II.2 Struktur Pita Energi Dalam Semikonduktor Secara umum semikonduktor adalah suatu materi dengan pita eneri yang tertinggi terisi sementara pita energi berikutnya yang dipisahkan dengan celah energi yang kosong atau terisi tapi sangat sedikit. Dengan celah energi dalam orde 1eV, maka akan mudah bagi elektron untuk berpindah melintasi celah tersebut menuju kepita berikutnya bila temperatur cukup tinggi, dan elektron tersebut kemudian akan menjadi elektron konduksi dan menyebabkan semikonduktor menjadi penghantar, Karakteristik semikonduktor dapat diubah dengan menambahkan suatu ketakmurnian kedalamnya. Bermacam-macam ketakmurnian menyebabkan semikonduktor mempunyai sifat yang berbeda dengan semikonduktor intrinsik(murni). Secara umum akan terdapat tingkat energi tambahan dalam pita terlarang dan akibatnya akan mempunyai konduktivitas yang lebih tinggi dari semikonduktor intrinsik. Menurut Spangenberg suatu ketakmurnian dalam bentuk atom bebas dengan valensi 3 atau 6 terdapat pada struktur kristal silikon dan germanium. Jika atom asing mempunyai valensi 5, keempat elektron terluar akan mengadakan ikatan dengan atom aslinya dan elektron kelima akan menjadi elektron bebas. Semikonduktor tak murni yang mempunyai elektron bebas sebagai pembawa muatan disebut semikonduktor tipe-n. Dalam semikonduktor tersebut terdapat tingkat energi tambahan yang tergabung dalam atom takmurnian yang mempunyai satu elektron valensi tambahan yang terletak sedikit dibawah pita konduksi dan pita terlarang. Tingkat energi tambahan ini besarnya hanya dalam seperseratus eV dibawah pita konduksi. Karena itu, takmurnian ini disebut donor, karena memberikan sebuah elektron pada pita konduksi. Dengan cara yang sama, sebuah atom dengan valensi 3 dapat dimasukkan dalam struktur kristal atom tetravalen. Jika ini terjadi, maka terdapat kekurangan 1 elektron dalam struktur ikatan kristal, dan menghasilkan sebuah lubang. Dalam semikonduktor ini juga terdapat suatu tingkat energi ekstra yang tergabung dalam atom ketakmurnian. Tingkat energi ini juga dalam orde seperseratus eV dan terletak sedikit diatas pita valensi. Dalam hal ini elektron pada pita valensi akan akan memperoleh energi yang cukup untuk naik ke pita energi tambahan. Jika itu terjadi maka lubang yang tertinggal pada pita valensi akan berperan sebgai pembawa muatan dan berlaku sebagai elektron positif. II.3 Fotokonduktivitas Jika suatu semikonduktor disinari dengan cahaya yang berenergi kuantum lebih besar daripada energi celah ε0 antara pita valensi dan pita konduksi, maka kuanta tersebut akan mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan menghasilkan pasangan elektron dan lubang. Hal tersebut menyebabkan naiknya konsentrasi pembawa muatan dan dapat dikatakan sebagai kenaikan konduktivitas. Bila suatu semikonduktor mempunyai jumlah elektron n=n0 dan lubang p=p0 pada saat semikonduktor tidak disinari, maka sesuai persamaan konduktivitas gelap adalah σd = e(n0μn + p0μp) (ohm-cm)-1 (2.1) dengan μn dan μp adalah mobilitas elektron dan lubang. Bila semikonduktor tersebut disinari sehingga konsentrasi elektron bertambah sebesar ∆n dan konsentrasi lubang bertambah sebesar ∆p maka perubahan konduktivitasnya adalah ∆σd = e(μn∆n + μp∆p) (ohm-cm)-1 (2.2) Kepekaan dari semikonduktor dapat dikatan sebagai jumlah cahaya yang dibutuhkan untuk membuat ∆σd = σd ; semakin sedikit cahaya yang dibutuhkan, semakin peka semikonduktor tersebut. Semikonduktor foto yang baik juga mempunyai konduktivitas gelap yang kecil. Bila waktu hidup elektron dan lubang adalah τn dan τp , maka apabila terdapat q pasangan elektron dan lubang yang dihasilkan perdetik akan didapatkan ∆n =q τn, ∆n =q τp (2.3) Dan pertambahan konduktivitas total adalah ∆σ = eq(μn τn + μp τp) (ohm-cm)-1 (2.4) Untuk semikonduktor foto yang baik, (μn τn + μp τp) haruslah besar. Secara umum, baik elektron maupun lubang mempunyai andil pada arus. Meskipun mungkin μn τn dan μp τp mempunyai nilai yang berbeda dikarenakan perbedaan mobilitas maupun waktu hidup. Pemberi andil yang dominan pada pertambahan konduktivitas adalah yang mempunyai nilai μτ lebih besar. Hal tersebut biasa terjadi pada semikonduktor foto, kadang-kadang elektron memberikan andil yang besar, semntara untuk semikonduktor foto yang lain lubang memberikan andil yang lebih besar. Karena begitu besarnya jumlah elektron pada pita valensi dan kekosongan pada pita konduksi, maka penyerapan cahaya akan sangat kuat untuk hv>ε0. Dalam kristal sempurna, tidak ada cahaya yang diserap untuk hv>ε0. Dengan adanya ketidakmurnian atau ketidaksempurnaan kisi, yang mungkin timbul dari tingkat donor maupun akseptor penyerapan cahaya dapat terjadi untuk hv<ε0 meskipun kecil. Cahaya akan mengeksitasi elektron dari pada pita valensi ke pita konduksi, sehingga terbentuk elektron bebas, atau elektron dari pita valensi ke kosongan akseptor pada pita konduksi,sehingga terbentuk lubang. Dengan adanya perubahan konduktivitas dapat kita hitung arus fotonya(I), I =∆σEA=eμqτEA=eQτμE/L=eQG A (2.5) Jika seluruh pembawa muatan yang dibangkitkan oleh cahaya dikumpulkan, maka untuk tiap muatan dapat ditulsikan I=Eq. Dan besar G G= τμV/L2 = τ/τd ev (2.6) Disebut faktor penguat dalam proses fotokonduksi. Menurut Ryder (1958), selain penguat arus, fotokonduksi juga menyebabkan penguatan tegangan. Penguatan tegangan tersebut (∆v) ditimbulkan oleh penyinaran dengan frekuensi cahaya v dan energi foton sebesar hv. Karena pada semikonduktor terdapat celah energi sebesar Ф, maka energi foton tersebut harus lebih besar dari celah energi semikonduktor. Sehingga energi foton yang dipasok adalah hv=Ф + e∆v eV (2.7) dengan e∆V adalah energi maksimal dari elektron yang diperoleh dari foton. Dengan demikian besarnya penguatan tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut: ∆V = - v (2.8) II.4 Fotodioda Fotokonduktivitas dalam semikonduktor dapat juga terjadi dalam struktur non homogen seperti dalam semikonduktor hubungan p-n. Bila ditinjau sebuah fotodioda, suatu hubungan p-n dengan bias balik yang daerah sambungannya disinari dengan foton berenergi hv yang lebih besar dari celah energi pada semikonduktor. Seperti pada gambar 2.5, foton yang diabsorbsi menimbulkan pasangan elektron-lubang. Pasangan tersebut dihaslkan dalam suatu panjang difusi pada daerah pengosongan pada persambungan ( daerah yang menunjukkan elektron yang dihasilkan dari penyinaran berada pada daerah p dan lubang pada daerah n ) dan menambah rapat pembawa muatan minoritas. Pembawa minoritas ini kemudian didorong kearah energi penghalang oleh medan listrk pada sambungan, sehingga meningkatkan arus balik jenuhnya. Arus balik yang melalui persambungan ini akan menjadi besar dengan adanya penyinaran dibanding dengan pada keadaan gelap. Untuk detektor yang sensitif, diinginkan agar daerah pengosongan lebar sehingga pembawa muatan yang dihasilkan lebih banyak. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan struktur p-intrinsik-. Dengan resistivitas daerah intrinsik lebih besar daripada daerah p dan n. Dalam hal ini tegangan balik hampir seluruhnya melintasi daerah intrinsik, sehingga lebar lapisan deplesi hampir sama dengan lebar daerah intrinsik. Fotodioda menggunakan prinsip absorbsi foton oleh semikonduktor, sehingga mempunyai ambang batas absorbsi foton yang ditentukan oleh energi jurang dari semikonduktor. Fotodioda yang menggunakan sistem p-i-n antara lain yang materinya berasal dari unsur golongan III-VI. Diatas telah dibahas bahwa arus foto berbanding lurus dengan intensitas cahaya. Pada dasarnya arus foto akan semakin besar sebanding dengan bertambahnya intensitas cahaya datang. Karena semakin besar intensitas maka makin banyak foton yang datang dan semakin banyak pula pasangan elektron lubang yang dihasilkan. Fotodioda seperti halnya peralatan optik lainnya mempunyai tanggapan spektral pada jangkauan tertentu. Pada frekunsi tertentu fotodioda tersebut akan sangat peka sebaiknya pada frekunsi lain tidak terlalu peka lagi. II.5 Penerapan Fotodioda Tak dapat dipungkiri bahwa dewasa ini hampir semua perangkat elektronika menggunakan komponen-komponen mikro. Komponen-komponen mikro itu sendiri menggunakan bahan dasar dari semikonduktor. Dan dengan kemajuan tekhnologi dapat diciptakan berbagai alat canggih dengan dimensi yang kecil. Hal tersebut menyebabkan teknologi tabung hampa semakin ditinggalkan ,karena dinilai tidak efisien lagi. Penerapan fotodioda yang paling lazim saat ini adalah pada komunikasi dengan sistem serat optis. Selain kegunaan tersebut, fotodioda juga seringkali diterapkan dalam hal sebagai berikut : Pembacaan kartu komputer dan pita berlubang Sistem deteksi cahaya Pembacaan jejak suara (soundtrack) dari film Saklar dengan pengaktifan cahaya Pencacahan barang dalam garis produksi yang menyelingi cahaya BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III.1 Alat dan Bahan III.1.1 Alat Beserta Fungsinya Adapun alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah: Multimeter berfungsi untuk mengukur arus, hambatan dan tegangan. Lampu pijar berfungsi sebagai sumber cahaya atau penyinaran. Kabel penghubung berfungsi untuk menghubungkan LDR dengan multimeter. Pengatur cahaya berfungsi untuk mengatur intensitas cahaya pada lampu pijar agar berbeda-beda. III.1.2 Bahan Beserta Fungsinya Adapun bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah : LDR ( Light Dependent Resistor) berfungsi untuk mengubah cahaya menjadi listrik. III.2 Prosedur Percobaan Memeriksa rangkaian yang ada dalam kotak gelap apakah sudah terhubung dengan arus listrik atau belum. Menggunakan sumber cahaya lampu pijar dan intensitas yang diukur menggunakan aturan seperjarak kuadrat lampu yang digunakan. Mengukur hambatan LDR ( Light Dependent Resistor ) serta tegangan pada intensitas yang berbeda dan jarak yang berbeda-beda sampai nilai R mendekati R0 (dalam keadaan gelap). Pengukuran dilakukan sebanyak 4 kali dengan jarak 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Mencatat hasil pengamatan dan membuat grafik hubungan antara resistansi, tegangan dengan intensitas. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil IV.1.1 Tabel data LDR No. Jarak 10 cm Jarak 15 cm Jarak 20 cm I V(volt) R(Ω) I V(volt) R(Ω) I V(volt) R(Ω) 1. 1 2,5 460 1 2,4 470 1 2,2 690 2. 2 2,6 230 2 2,5 290 2 2,5 360 3. 3 2,7 170 3 2,6 190 3 2,6 240 4. 4 2,7 140 4 2,7 160 4 2,7 200 I = Tingkatan Intensitas Sumber Cahaya IV.1.2 Kurva hubungan antara resistansi, tegangan dengan intensitas Jarak 10 cm Jarak 15 cm Jarak 20 cm IV.2 Pembahasan Menurut teori, LDR adalah jenis resistor yang memiliki nilai resistansi yang tidak tetap. Artinya nilai tahanan/resistansi komponen ini dapat berubah- ubah. Perubahan nilai resistansinya tergantung dari kuat lemahnya cahaya yang diterima. Semakin tinggi intensitas cahayanya semakin rendah resistansinya. Dari percobaan fotokonduktivitas yang telah dilakukan sebanyak 3 kali pengambilan data dengan jarak yang berbeda-beda yaitu 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Pada masing-masing jarak digunakan intensitas 1, 2, 3, dan 4. Keluaran resistansi dapat di ukur dengan multimeter. Dari hasil pengamatan diperoleh bahwa semakin jauh jarak sumber cahaya dari sensor, maka semakin tinggi pula nilai resistansinya.Semakin terang intensitas atau semakin besar nilai intensitas cahaya yang diberikan, maka semakin rendah nilai resistansi atau hambatannya.Dari percobaan yang telah dilakukan ternyata membuktikan teori yang ada. BAB V PENUTUP V.1 Kesimpulan Dari pengamatan yang dilakukan, maka kesimpulan yang dapat di ambil adalah : 1.Semakin jauh jarak sumber cahaya dari sensor, maka semakin tinggi pula nilai resistansinya. 2.Semakin terang intensitas atau semakin besar nilai intensitas cahaya yang diberikan, maka semakin rendah nilai resistansi atau hambatannya V.2 Saran V.2.1 Saran Untuk Asisten Sikap asisten sudah cukup baik dalam membimbing praktikan selama praktikum berlangsung ,tetapi masih perlu ditingkatkan lagi. V.2.2 Saran Untuk Laboratorium Sebaiknya kebersihan dan kenyamanan dalam laboratorium tetap dijaga dan ditingkatkan Daftar Pustaka Dadi,Rusdiana.2011.Fotokonduktor Al.GaN-Al untuk Aplikasi DetektorUltraviolet (http://file.upi.edu/Direktori/.../artikel_jms_dadi_.pdf diakses pada tanggal 22 April 2014); Mardiyanto,dkk.2004.PengukuranFotokonduktivitas,StukturdanLaju Pertumbuhan pada Lapisan Tipis (http://digilib.batan.go.id/.../1411-2213-2004-1-392.pdf diakses pada tanggal 22 April 2014). Millman, J., Halldas, C. 1992.Elektronika Terpadu, Rangkaian dan Sistem Analog dan Digital.Terjeman oleh Barmawi, M. Erlangga: Bandung. Omar, M.A. 1975. Elementary Solid Semiconduktor Physics. McGraw-Hill Company: New york. Spangenberg, K.E. 1957. Fundamental of Electronics Devices. McGraw-Hill Company: Tokyo. Van der Ziel, A. 1958. Solid State Elektronics. John Wiley and Sons: New York. LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN MATERIAL DAN ENERGI FOTOKONDUKTIVITAS NAMA :NUR AENI NIM : H21111002 KELOMPOK : 1 ( SATU ) ASISTEN : SINARWATI JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN 2014