lr03-andrearto saleh perdana
TRANSCRIPT
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
1/37
LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR
Remote Laboratory
Karakteristik V I Semikonduktor
Nama Praktikan : Andrearto Saleh Perdana
NPM : 1006731651
Fakultas : Teknik
Departemen : Teknik Mesin
Kode Praktikum : LR 03
Tanggal Praktikum : 16 November 2011
LABORATORIUM FISIKA DASAR
UNIT PELAKSANA PENDIDIKAN ILMU PENGETAHUAN DASAR
UNIVERSITAS INDONESIA
Depok 2011
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
2/37
Andrearto Saleh Perdana | 2
LR03 Karakteristik V I Semikonduktor
I. Tujuan Praktikum
Melihat karakteristik hubungan beda potensial (V) dengan arus listrik (I) pada
suatu semikonduktor.
II. Peralatan
1. Bahan semikonduktor
2. Amperemeter3. Voltmeter
4. Variable power supply
5. Camcorder
6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
III. Landasan Teori
Semikonduktor
Operasi semua komponen benda padat seperti dioda, LED, Transistor
Bipolar dan FET serta Op-Amp atau rangkaian terpadu lainnya (solid state)
didasarkan atas sifat-sifat semikonduktor. Secara umum semikonduktor
adalah bahan yang sifat-sifat kelistrikannya terletak antara sifat-sifat
konduktor dan isolator. Sifat-sifat kelistrikan konduktor maupun isolator tidak
mudah berubah oleh pengaruh temperatur, cahaya atau medan magnit, tetapi
pada semikonduktor sifat-sifat tersebut sangat sensitive.Elemen terkecil dari suatu bahan yang masih memiliki sifat-sifat kimia
dan fisika yang sama adalah atom. Suatu atom terdiri atas tiga partikel dasar,
yaitu: neutron, proton, dan elektron. Dalam struktur atom, proton dan neutron
membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-
elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti. Elektron-elektron ini
tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari bahan
semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah silikon dan germanium.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
3/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 3
konduktor, isolator, semikonduktor atau superkonduktor) disebabkan
oleh
Gambar 1. Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 atom silikon mempunyai elektron yang
mengorbit (yang mengelilingi inti) sebanyak 14 dan atom germanium mempunyai 32
elektron. Pada atom yang seimbang (netral) jumlah elektron dalam orbit sama dengan
jumlah proton dalam inti. Muatan listrik sebuah elektron adalah: - 1.602-19 C dan muatan
sebuah proton adalah: + 1.602-19 C.
Elektron yang menempati lapisan terluar disebut sebagai electron valensi. Atom
silikon dan germanium masing mempunyai empat electron valensi. Oleh karena itu baik
atom silikon maupun atom germanium disebut juga dengan atom tetra-valent (bervalensi
empat). Empat electron valensi tersebut terikat dalam struktur kisi-kisi, sehingga setiap
electron valensi akan membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi dari atom-
atom yang bersebelahan. Struktur kisi-kisi kristal silikon murni dapat digambarkan
secara dua dimensi pada Gambar 2 guna memudahkan pembahasan.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
4/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 4
Meskipun terikat dengan kuat dalam struktur kristal, namun bisa saja elektron
valensi tersebut keluar dari ikatan kovalen menuju daerah konduksi apabila
diberikan energi panas. Bila energi panas tersebut cukup kuat untuk memisahkan
elektron dari ikatan kovalen maka electron tersebut menjadi bebas atau disebut
dengan elektron bebas. Pada suhu ruang terdapat kurang lebih 1.5 x 1010 elektron
bebas dalam 1 cm3 bahan
silikon murni (intrinsik) dan 2.5 x 1013 elektron bebas pada germanium. Semakin
besar energi panas yang diberikan semakin banyak jumlah elektron bebas yangkeluar dari ikatan kovalen, dengan kata lain konduktivitas bahan meningkat.
Semikonduktor Tipe N
Apabila bahan semikonduktor intrinsik (murni) diberi (didoping) dengan bahan
bervalensi lain maka diperoleh semikonduktor ekstrinsik. Pada bahan semikonduktor
intrinsik, jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama. Konduktivitas
semikonduktor intrinsik sangat rendah, karena terbatasnya jumlah pembawa muatan
yakni hole maupun electron bebas tersebut. Jika bahan silikon didoping dengan
bahan ketidak murnian (impuritas) bervalensi lima (penta-valens), maka diperoleh
semikonduktor tipe n. Bahan dopan yang bervalensi lima ini misalnya antimoni,
arsenik, dan pospor. Struktur kisi-kisi kristal bahan silikon type n dapat dilihat pada
Gambar 3.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
5/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 5
Karena atom antimoni (Sb) bervalensi lima, maka empat elektronvalensi
mendapatkan pasangan ikatan kovalen dengan atom silikonsedangkan elektron
valensi yang kelima tidak mendapatkan pasangan. Oleh karena itu ikatan elektron
kelima ini dengan inti menjadi lemah dan mudah menjadi elektron bebas. Karena
setiap atom depan ini menyumbang sebuah elektron, maka atom yang bervalensi
lima disebut dengan atom donor. Dan elektron bebas sumbangan dari atom dopan
inipun dapat dikontrol jumlahnya atau konsentrasinya.
Meskipun bahan silikon type n ini mengandung elektron bebas (pembawa mayoritas)
cukup banyak, namun secara keseluruhan kristal ini tetap netral karena jumlah
muatan positip pada inti atom masih sama dengan jumlah keseluruhan elektronnya.
Pada bahan type n disamping jumlah elektron bebasnya (pembawa mayoritas)
meningkat, ternyata jumlah holenya (pembawa minoritas) menurun. Hal ini
disebabkan karena dengan bertambahnya jumlah elektron bebas, maka kecepatan
hole dan elektron ber-rekombinasi (bergabungnya kembali elektron dengan hole)
semakin meningkat. Sehingga jumlah holenya menurun.
Level energi dari elektron bebas sumbangan atom donor dapat digambarkan seperti
pada Gambar 4. Jarak antara pita konduksi dengan level energi donor sangat kecil
yaitu 0.05 eV untuk silikon dan 0.01 eV untuk germanium. Oleh karena itu pada suhu
ruang saja, maka semua elektron donor sudah bisa mencapai pita konduksi dan
menjadi electron bebas
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
6/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 6
Bahan semikonduktor type n dapat dilukiskan seperti pada Gambar 5. Karena atom-
atom donor telah ditinggalkan oleh elektron valensinya (yakni menjadi elektronbebas), maka menjadi ion yang bermuatan positip. Sehingga digambarkan dengan
tanda positip. Sedangkan electron bebasnya menjadi pembawa mayoritas. Dan
pembawa minoritasnya berupa hole.
Semikonduktor Tipe P
Apabila bahan semikonduktor murni (intrinsik) didoping dengan bahan impuritas
(ketidak-murnian) bervalensi tiga, maka akan diperoleh semikonduktor type p. Bahan
dopan yang bervalensi tiga tersebut misalnya boron, galium, dan indium. Struktur
kisi-kisi Kristal semikonduktor (silikon) type p adalah seperti Gambar 6.
Karena atom dopan mempunyai tiga elektron valensi, dalam Gambar 6 adalah atom
Boron (B) , maka hanya tiga ikatan kovalen yang bisa dipenuhi. Sedangkan tempat
yang seharusnya membentuk ikatan kovalen keempat menjadi kosong (membentuk
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
7/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 7
hole) dan bisa ditempati oleh elektron valensi lain. Dengan demikian sebuah atom
bervalensi tiga
akan menyumbangkan sebuah hole. Atom bervalensi tiga (trivalent) disebut juga
atom akseptor, karena atom ini siap untuk menerima elektron. Seperti halnya pada
semikonduktor type n, secara keseluruhan kristal semikonduktor type n ini adalah
netral. Karena jumlah hole dan elektronnya sama. Pada bahan type p, hole
merupakan pembawa muatan mayoritas. Karena dengan penambahan atom dopan
akan meningkatkan jumlah hole sebagai pembawa muatan. Sedangkan pembawa
minoritasnya adalah elektron
Level energi dari hole akseptor dapat dilihat pada Gambar 7. Jarak antara level
energi akseptor dengan pita valensi sangat kecil yaitu sekitar 0.01 eV untuk
germanium dan 0.05 eV untuk silikon. Dengan demikian hanya dibutuhkan energi
yang sangat kecil bagi elektron valensi untuk menempati hole di level energi
akseptor. Oleh karena itu pada suhur ruang banyak sekali jumlah hole di pita valensi
yang merupakan pembawa muatan.
Bahan semikonduktor type p dapat dilukiskan seperti pada Gambar 8. Karena atom-
atom akseptor telah menerima elektron, maka menjadi ion yang bermuatan negatip.
Sehingga digambarkan dengan tanda negatip. Pembawa mayoritas berupa hole dan
pembawa minoritasnya berupa elektron.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
8/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 8
Dioda Semikonduktor
Dioda semikonduktor dibentuk dengan cara menyambungkan semikonduktor type p
dan type n. Pada saat terjadinya sambungan (junction) p dan n, hole-hole pada
bahan p dan elektron-elektron pada bahan n disekitar sambungan cenderung untuk
berkombinasi. Hole dan electron yang berkombinasi ini saling meniadakan, sehingga
pada daerah sekitar sambungan ini kosong dari pembawa muatan dan terbentukdaerah pengosongan (depletion region).
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
9/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 9
Oleh karena itu pada sisi p tinggal ion-ion akseptor yang bermuatan negatip dan
pada sisi n tinggal ion-ion donor yang bermuatan positip. Namun proses ini tidak
berlangsung terus, karena potensial dari ion-ion positip dan negatip ini akan
mengahalanginya. Tegangan atau potensial ekivalen pada daerah pengosongan ini
disebut dengan tegangan penghalang (barrier potential). Besarnya tegangan
penghalang ini adalah
0.2 untuk germanium dan 0.6 untuk silikon. Lihat Gambar 9.
Bias Mundur (Reverse Bias)
Bias mundur adalah pemberian tegangan negatip baterai ke terminal anoda (A) dan
tegangan positip ke terminal katoda (K) dari suatu dioda. Dengan kata lain, tegangan
anoda katoda VA-K adalah negatip (VAK< 0). Gambar 10 menunjukkan dioda diberi
bias mundur.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
10/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 10
Karena pada ujung anoda (A) yang berupa bahan tipe p diberi tegangan negatip,
maka hole-hole (pembawa mayoritas) akan tertarik ke kutup negatip baterai
menjauhi persambungan. Demikian juga karena pada ujung katoda (K) yang berupa
bahan tipe n diberi tegangan positip, maka elektron-elektron (pembawa mayoritas)
akan tertarik ke kutup positip baterai menjauhi persambungan. Sehingga daerah
pengosongan semakin lebar, dan arus yang disebabkan oleh pembawa mayoritas
tidak ada yang mengalir.
Sedangkan pembawa minoritas yang berupa elektron (pada bahan tipe p) dan hole
(pada bahan tipe n) akan berkombinasi sehingga mengalir arus jenuh mundur
(reverse saturation current) atau Is. Arus ini dikatakan jenuh karena dengan cepat
mencapai harga maksimum tanpa dipengaruhi besarnya tegangan baterai. Besarnya
arus ini dipengaruhi oleh temperatur. Makin tinggi temperatur, makin besar harga Is.
Pada suhu ruang, besarnya Is ini dalam skala mikro-amper untuk dioda germanium,
dan dalam skala nano-amper untuk dioda silikon.
Bias Maju (Foward Bias)
Apabila tegangan positip baterai dihubungkan ke terminal Anoda (A) dan negatipnya
ke terminal katoda (K), maka dioda disebut mendapatkan bias maju (foward bias).
Dengan demikian VA-K adalah positip atau VA-K > 0. Gambar 11 menunjukan dioda
diberi bias maju.
Dengan pemberian polaritas tegangan seperti pada Gambar 11, yakni VA-K positip,
maka pembawa mayoritas dari bahan tipe p (hole) akan tertarik oleh kutup negatip
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
11/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 11
baterai melewati persambungan dan berkombinasi dengan elektron (pembawa
mayoritas bahan tipe n). Demikian juga elektronnya akan tertarik oleh kutup positip
baterai untuk melewati persambungan. Oleh karena itu daerah pengosongan terlihat
semakin menyempit pada saat dioda diberi bias maju. Dan arus diode yang
disebabkan oleh pembawa mayoritas akan mengalir, yaitu ID.
Sedangkan pembawa minoritas dari bahan tipe p (elektron) dan dari bahan tipe n
(hole) akan berkombinasi dan menghasilkan Is. Arah Is dan ID adalah berlawanan.
Namun karena Is jauh lebih kecil dari pada ID, maka secara praktis besarnya arus
yang mengalir pada dioda ditentukan oleh ID.
Kurva Karakteristik Dioda
Hubungan antara besarnya arus yang mengalir melalui diode dengan tegangan VA-
K dapat dilihat pada kurva karakteristik diode (Gambar 12). Gambar 12 menunjukan
dua macam kurva, yakni dioda germanium (Ge) dan dioda silikon (Si). Pada saat
dioda diberi bias maju, yakni bila VA-K positip, maka arus ID akan naik dengan
cepat setelah VA-K
mencapai tegangan cut-in (V ). Tegangan cut-in (V ) ini kira-kira sebesar 0.2 Volt
untuk dioda germanium dan 0.6 Volt untuk dioda silikon. Dengan pemberian
tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (barrier potential) pada
persambungan akan teratasi, sehingga arus diode mulai mengalir dengan cepat
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
12/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 12
.
Bagian kiri bawah dari grafik pada Gambar 12 merupakan kurva karakteristik dioda
saat mendapatkan bias mundur. Disini juga terdapat dua kurva, yaitu untuk dioda
germanium dan silikon. Besarnya arus jenuh mundur (reverse saturation current) Is
untuk dioda germanium adalah dalam orde mikro amper dalam contoh ini adalah 1
A. Sedangkan untuk dioda silikon Is adalah dalam orde nano amper dalam hal ini
adalah 10 nA.
Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip tersebut dinaikkan terus, maka
suatu saat akan mencapai tegangan patah (breakdown) dimana arus Is akan naik
dengan tiba-tiba. Pada saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas
dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan
elektron valensi dari
atom.
Kemudian elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga
arusnya semakin besar. Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini
selalu dihindari karena dioda bisa rusak. Hubungan arus dioda (ID) dengan
tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam persamaan matematis yang
dikembangkan oleh W. Shockley, yaitu:
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
13/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 13
dimana:
ID = arus dioda (amper)
Is = arus jenuh mundur (amper)
e = bilangan natural, 2.71828...
VD = beda tegangan pada dioda (volt)
n = konstanta, 1 untuk Ge; dan 2 untuk Si
VT = tegangan ekivalen temperatur (volt)
Harga Is suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping dan geometri
dioda. Dan konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda.
Sedangkan harga VT ditentukan dengan persamaan:
dimana:
k = konstanta Boltzmann, 1.381 x 10-23 J/K
(J/K artinya joule per derajat kelvin)
T = temperatur mutlak (kelvin)
q = muatan sebuah elektron, 1.602 x 10-19 C
Penyearah Setengah Gelombang
Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah. Penyearah yang paling
sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah
dioda. Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan
disearahkan. Gambar 13 menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang.
Rangkaian penyearah setengah gelombang mendapat masukan dari skunder trafo
yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin t (Gambar 13 (b)). Dari
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
14/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 14
persamaan tersebut, Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum.
Harga Vm ini hanya bisa diukur
dengan CRO yakni dengan melihat langsung pada gelombangnya. Sedangkan pada
umumnya harga yang tercantum pada skunder trafo adalah tegangan efektif.
Hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif (Veff) atau
tegangan rms (Vrms) adalah:
Tegangan (arus) efektif atau rms (root-mean-square) adalah tegangan (arus) yang
terukur oleh voltmeter (amper-meter). Karena harga Vm pada umumnya jauh lebih
besar dari pada V (tegangan cut-in dioda), maka pada pembahasan penyearah ini
V diabaikan.
Prinsip kerja penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input
berupa siklus positip maka dioda mendapat bias maju sehingga arus (i) mengalir ke
beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatip maka dioda
mendapat bias mundur sehingga tidak mengalir arus. Bentuk gelombang tegangan
input (vi) ditunjukkan pada (b) dan arus beban (i) pada (c) dari Gambar 13.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
15/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 15
Resistansi dioda pada saat ON (mendapat bias maju) adalah Rf, yang umumnya
nilainya lebih kecil dari RL. Pada saat dioda OFF (mendapat bias mundur)
resistansinya besar sekali atau dalam pembahasan ini dianggap tidak terhigga,sehingga arus dioda tidak mengalir atau i = 0.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
16/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 16
Arus yang mengalir ke beban (i) terlihat pada Gambar (c) bentuknya sudah searah
(satu arah) yaitu positip semua. Apabila arah dioda dibalik, maka arus yang mengalir
adalah negatip. Frekuensi sinyal keluaran dari penyearah setengah gelombang ini
adalah sama dengan frekuensi input (dari jala-jala listrik) yaitu 50 Hz. Karena jarak
dari puncak satu ke puncak berikutnya adalah sama.
Bila diperhatikan meskipun sinyal keluaran masih berbentuk gelombang, namun
arah gelombangnya adalah sama, yaitu positip (Gambar c). Berarti harga rata-
ratanya tidak lagi nol seperti halnya arus bolak-balik, namun ada suatu harga
tertentu. Arus rata-rata ini (Idc) secara matematis bisa dinyatakan:
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
17/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 17
Dalam perencanaan rangkaian penyearah yang juga penting untuk diketahui adalah
berapa tegangan maksimum yang boleh diberikan pada dioda. Tegangan maksimum
yang harus ditahan oleh dioda ini sering disebut dengan istilah PIV (peak-inverse
voltage) atau tegangan puncak balik.
Hal ini karena pada saat dioda mendapat bias mundur (balik) maka tidak arus yang
mengalir dan semua tegangan dari skunder trafo berada pada dioda. Bentuk
gelombang dari sinyal pada dioda dapat dilihat pada Gambar 14. PIV untuk
penyearah setengah gelombang ini adalah:
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
18/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 18
Bentuk gelombang sinyal pada dioda seperti Gambar 14 dengan anggapan bahwa
Rf dioda diabaikan, karena nilainya kecil sekali dibanding RL. Sehingga pada saat
siklus positip dimana dioda sedang ON (mendapat bias maju), terlihat turuntegangannya adalah nol. Sedangkan saat siklus negatip, dioda sedang OFF
(mendapat bias mundur) sehingga tegangan puncak dari skunder trafo (Vm)
semuanya berada pada dioda.
Penyearah Gelombang Penuh Dengan Trafo CT
Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan
menggunakan trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan.
Gambar 15 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan
menggunaka trafo CT. Terminal skunder dari Trafo CT mengeluarkan dua buah
tegangan keluaran yang sama tetapi fasanya berlawanan dengan titik CT sebagai
titik tengahnya. Kedua keluaran ini masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2,
sehingga saat D1 mendapat sinyal siklus positip maka D1 mendapat sinyal siklus
negatip, dan sebaliknya. Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya bergantian. Namun
karena arus i1 dan i2 melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka
iL menjadi satu arah (15 c).
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
19/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 19
Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh ini merupakan
gabungan dua buah penyearah setengah gelombang yang hidupnya bergantian
setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah dua
kali dari penyearah setengah gelombang. Dengan cara penurunan yang sama, maka
diperoleh:
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
20/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 20
Tegangan puncak inverse yang dirasakan oleh dioda adalah sebesar 2Vm. Misalnyapada saat siklus positip, dimana D1 sedang hidup (ON) dan D2 sedang mati (OFF),
maka jumlah tegangan yang berada pada dioda D2 yang sedang OFF tersebut
adalah dua kali dari tegangan skunder trafo. Sehingga PIV untuk masing-masing
dioda dalam
rangkaian penyearah dengan trafo CT adalah:
Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan
Penyearah gelombang penuh dengan sistem jembatan ini bisa menggunakan
sembarang trafo baik yang CT maupun yang biasa, atau bahkan bisa juga tanpa
menggunakan trafo. rangkaian dasarnya adalah seperti pada Gambar 16.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
21/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 21
Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh system jembatan dapat
dijelaskan melalui Gambar 16. Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian
positip dari siklus sinyal ac, maka (Gambar
16 b):
- D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur
Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3. Sedangkan apabila jembatan
memperoleh bagian siklus negatip, maka
(Gambar 16 c):
- D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju
- D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur
Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4. Arah arus i1 dan i2 yang
melewati RL sebagaimana terlihat pada Gambar 16 b dan c adalah sama, yaitu dari
ujung atas RL menuju ground. Dengan demikian arus yang mengalir ke beban (iL)merupakan penjumlahan dari dua arus i1 dan i2, dengan menempati paruh waktu
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
22/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 22
masing-masing (Gambar 16 d). Besarnya arus rata-rata pada beban adalah sama
seperti penyearah gelombang penuh dengan trafo CT, yaitu: Idc = 2Im/p = 0.636 Im.
Untuk harga Vdc dengan memperhitungkan harga Vg adalah:
Harga 2Vg ini diperoleh karena pada setiap siklus terdapat dua buah diode yang
berhubungan secara seri. Disamping harga 2Vg ini, perbedaan lainnya dibanding
dengan trafo CT adalah harga PIV. Pada penyearah gelombang penuh dengan
system jembatan ini PIV masing-masing dioda adalah:
Dioda Semikonduktor Sebagai Pemotong (clipper)
Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan
sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu. Contoh
sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah setengah gelombang.
Rangkaian ini memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan di atas atau
di bawah level nol. Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua,
yaitu: seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara
seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel
dengan beban. Sedangkan untuk masingmasing jenis tersebut dibagi menjadi
clipper negatip (pemotong bagian negatip) dan clipper positip (pemotong bagian
positip). Dalam analisa ini diodanya dianggap ideal. Petunjuk untuk menganalisa
rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut:
1. Perhatikan arah dioda
- bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input
akan dilewatkan, dan bagian negatip akan dipotong (berarti
clipper negatip)
- bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatip dari sinyal input
akan dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarticlipper positip)
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
23/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 23
2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada)
3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang
sudah ditentukan pada langkah 2 di atas)
4. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai
dengan sinyal input)
Rangkaian clipper seri positip adalah seperti Gambar 17 dan rangkaian clipper seri
negatip adalah Gambar 18.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
24/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 24
Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut:
1. Perhatikan arah dioda.
- bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input
akan dipotong (berarti clipper positip)
- bila arah dioda ke atas, maka bagian negatip dari sinyal input
akan dipotong (berarti clipper negatip)
2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada).
3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input.
4. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.
Rangkaian clipper paralel positip adalah seperti Gambar 19 dan rangkaian clipper
paralel negatip adalah Gambar 20.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
25/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 25
Dioda Semikonduktor Sebagai Penggeser (clamper)Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level
dc yang lain. Rangkain Clamper paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor,
dioda, dan resistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R
dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar
tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar.
Dalam analisa ini dianggap didodanya adalah ideal. Sebuah rangkaian clamper
sederhana (tanpa baterai) terdiri atas sebuah R, D, dan C terlihat pada Gambar 21.
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
26/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 26
Gambar 21 (a) adalah gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian
clamper (b). Pada saat 0 - T/2 sinyal input adalah positip sebesar +V, sehingga
Dioda menghantar (ON). Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan
dioda yang rendah (seperti hubung singkat, karena dioda ideal). Pada saat ini sinyal
output pada R adalah nol (Gambar d).
Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatip, sehingga dioda tidak
menghantar (OFF) (Gambar e). Kapasitor membuang muatan sangat lambat, karenaRC dibuat cukup lama. Sehingga pengosongan tegangan ini tidak berarti dibanding
dengan sinyal output. Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input -V dan
tegangan pada kapasitor - V, yaitu sebesar -2V (Gambar c). Terlihat pada Gambar
21 c bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang kontak (seperti gelombang
input) yang level dc nya sudah bergeser kearah negatip sebesar -V. Besarnya
penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri
dengan dioda. Disamping itu arah penggeseran juga bisa dinuat kearah positipdengan
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
27/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 27
cara membalik arah dioda. Beberapa rangkaian clamper negatip dan positip dapat
dilihat pada Gambar 22.
Hukum Ohm
Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus listrik, tegangan.dan
hambatanadalah Georg Simon Ohm (1787-1854) seorang ahli fisika Jerman.
Hubungan tersebut lebihdikenal dengan sebutan hukum Ohm.
Dalam percobaan, Ohm menggunakan rangkaian percobaan sederhana yang
terdiri dari ammeter, beban dan baterai.Dia menggunakanrangkaian sumber
potensial secara seri,mengukur besarnya arus yang mengalirdanmenemukan
hubungan linier sederhana yaitu Sebagai V = I Rdimana R = V/Idisebut hambatan
dari beban. Nama ini sangat cocokkarena R menjadi ukuran seberapa besar
konduktor tersebut menahan laju aliran elektron.Namun, berlakunya hukum ohm
sangat terbatas pada kondisi-kondisi tertentu,bahkanhukum ini tidak berlaku jika
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
28/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 28
suhu konduktor tersebut berubah. Untuk material material atau piranti elektronika
tertentu seperti diode dan transistor, hubungan Idan Vtidak linear.
IV. Prosedur Percobaan
1. Mengaktifkan Web cam dengan mengklik icon video pada halaman
web r-Lab.
2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan.
3. Memberikan beda potensial dengan member tegangan V1.
4. Mengaktifkan power supply/baterai dengan mengklik radio button di
sebelahnya.
5. Mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan.
6. Mengulangi langkah 3 hingga 5 untuk beda potensial V2 hingga V8
Gambar 8. Skema peralatan
V. Pengolahan Data dan EvaluasiV.1. Pengolahan Data
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
29/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 29
Mendapatkan nilai ratarata untuk beda potensial dan kuat arus ( V1,.V8).
Vi V(volt) I(mA) V rata-rataI rata-rata
V1
0,46 3,58
0,46 3,58
0,46 3,58
0,46 3,58
0,46 3,58
0,46 3,58
V2
0,94 7,49
0,94 7,49
0,94 7,49
0,94 7,49
0,94 7,49
0,94 7,49
V3
1,39 11,08
1,39 11,08
1,39 11,08
1,39 11,08
1,39 11,08
1,39 11,08
V4
1,87 15,31
1,87 15,376
1,87 15,31
1,87 15,31
1,87 15,31
1,87 15,64
V5
2,29 18.90
2,286 19,42
2,29 19,55
2,29 19,22
2,28 19,55
2,28 19,88
V6
2,88 25,42
2,874 25,678
2,88 25,74
2,87 25,42
2,87 25,742,87 26,07
V7
3,2 28,67
3,188 29,456
3,19 29,33
3,18 30,30
3,19 29,33
3,18 29,65
V8
3,64 34,86
3,622 35,9063,63 35,52
3,62 35,84
3,61 36,49
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
30/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 30
3,61 36,82
V.2. Grafik V vs I
V.3. Bentuk Grafik hubungan V dengan I
Berdasarkan dari data hasil percobaan yang telah direduksi ke dalam bentuk
grafik, menunjukkan bahwa grafik berbentuk linier.Hal ini menunjukkan bahwa
adanya hubungan yang sangat erat antara tegangan dengan arus yaitu nilai
besarnya tegangan sebanding dengan arus yang mengalir. Apabila arus mengalami
kenaikan ataupun penurunan, maka akan berpengaruh terhadap nilai tegangan.
Selain bentuk grafik yang linier, pada kurva / grafik menunjukkan adanya
garis lurus. Hal ini berarti pada percobaan, alat yang digunakan memiliki nilaihambatan penghantar yang sama. Walaupun besar tegangan dan arus yang
digunakan berbeda - beda. Grafik di atas juga sesuai dengan persamaan pada
hokum Ohm, dimana V = I R dan I = V/R.
Dalam semikonduktor, peran dari temperature sangat berpengaruh terhadap
jumlah electron bebas. Bahan semikonduktor memiliki nilai koefisien temperature
yang negative. Hal ini karena semakin tinggi temperature maka semakin banyak
electron bebas. akan tetapi, pada suhu mendekati 0 K, bahan semikonduktor akan
bersifat isolator.
y = 10.016x - 2.3228
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4
ArusI(mA)
Tegangan V (volt)
Grafik v vs I
Grafik v vs I
Linear (Grafik v vs I)
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
31/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 31
V.4. Nilai Hambatan Berdasarkan Kurva
Nilai hambatan dari percobaan Karakteristik V I Semikonduktor dapat
ditentukan dengan menghitung nilai gradient dari kemiringan garis pada grafik yang
telah dibuat. Semakin besar kemiringan, maka semakin besar nilai hambatannya ( R
) dan semakin besar nilai hambatannya, berarti semakin sulit bahan tersebut untuk
dilewati arus listrik.
Mencari nilai gradient dapat ditentukan dengan menggunakan metode least
square, dimana nilai m sebanding dengan 1/R.
V (x) I (y) x^2 y^2 xy
0,46 3,58 0,2116 12,8164 1,6468
0,94 7,49 0,8836 56,1001 7,0406
1,39 11,08 1,9321 122.7664 15,4012
1,87 15,376 3,4969 236.4214 28,75312
2,286 19,42 5,225796 377.1364 44,39412
2,874 25,678 8,259876 659.3597 73,79857
3,188 29,456 10,16334 867.6559 93,90573
3,622 35,906 13,11888 1289.241 130,0515
16,63 147,986 43,2921 3621,497 394,9917
m =
m = 10.0161
Dengan mengetahui nilai m, maka dapat dicari nilai hambatan (R)
yaitu:
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
32/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 32
Dengan demikian, nilai hambatan pada percobaan ini adalah 0,0998
.
persamaan kuat arus listrik sebagai fungsi beda potensial dan
tegangan dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
y = mx b
dimana nilai b diperoleh dengan menggunakan persamaan:
b = -2,3288
Jadi, persamaan garis tersebut adalah y = 10.016x 2,3288
Besar kesalahan relative yang terjadi adalah
Kesalahan Relatif =
= 2.87 %
VI. Analisis Data
VI.1. Analisa Percobaan
Percobaan dengan judul Karakteristik V I Semikonduktor bertujuan untuk
melihat karakteristik hubungan beda potensial (V) dengan arus listrik (I) pada suatu
semikonduktor. Percobaan dilakukan dengan menggunakan beberapa macam alat,
yaitu Bahan semikonduktor, Amperemeter, Voltmeter, Variable power supply,
Camcorder, Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis.Percobaan
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
33/37
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
34/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 34
Dari grafik dapat diperoleh nilai hambatan bahan yaitu dengan menghitung
kemiringan garis pada grafik atau sering disebut dengan gradient garis.Semakin
besar tingkat kemiringan garis tersebut menunjukkan semakin besar nilai hambatan
yang digunakan untuk menghambat laju arus. Besarnya gradient garis dari grafik
hubungan V I yang menunjukkan nilai hambatan dapat dicari dengan
menggunakan metode least squaredengan persamaan :
Dari persamaan tersebut didapatlah besar nilai hambatan bahan yang
digunakan untuk percobaan yaitu sebesar
VI.3. Analisa Hasil dan Data
Percobaan Karakteristik V I Semikonduktor memberikan hasil yang cukup
akurat.Hal ini terbukti dengan nilai V1 sampai dengan V8 dan I1 sampai dengan I8
memberikan hubungan yang linier atau segaris. Besar kecilnya tegangan akan
berpengaruh terhadap besarnya arus listrik yang mengalir.
Berdasarkan data tersebut juga dapat diperoleh seberapa besar nilai
hambatan (R) yang didapatkan dari besar nilai kemiringan grafik atau nilai
gradiennya (m). semakin besar nilai m menandakan semakin besar nilai
hambatannya dan semakin sulit untuk dilewati arus listrik.
Nilai R yang diperoleh dengan mengetahui nilai gradient garis menunjukkan
bahwa grafik tersebut mengikuti Hukum Ohm.Dimana tegangan memiliki hubungan
dengan arus listrik yang mengalir pada bahan semikonduktor tersebut.
VI.4. Analisa Kesalahan
Dari praktikum ini diperoleh hasil yang tidak konsisten atau bisa juga
dikatakan terdapat perbedaan antara perhitungan secara teoritik dan hasil dari
pengukuran langsung. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor :
1. Kesalahan dalam percobaan
2. Kesalahan grafik
3. Kesalahan literatur
4. Kesalahan pada teknologi yang digunakan
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
35/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 35
Kesalahan yang terjadi pada percobaan Karakterisitik V I Semikonduktor ini
diakibatkan kurang pahamnya praktikan dalam mekanisme pada alat percobaan
karena video proses percobaan yang ditampilkan pada rlab tidak terlalu jelas.
Kurangya detail informasi proses percobaan dan juga data percobaan yang terlalu
banyak menimbulkan kesulitan tersendiri dan akhirnya menimbulkan kesalahan
perhitungan. Kesalaan perhitungan tentu saja menyebabkan hasil percobaan tidak
begitu mendekati tujuan dan teoritis. Karenanya pasti ada faktor x yang sangat
berpengaruh sehingga didapatkan kesalahan sedemikian besarnya.
VII. Kesimpulan
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa:
1. V dan I memiliki hubungan yang linier atau sebanding.
2. Nilai hambatan (R) ditentukan berdasarkan hokum Ohm yaitu V = I R.
3. Semakin tinggi tegangan, maka semakin tinggi pula besar arus yang
mengalir, dan sebaliknya.
4. Besar nilai hambatan yang diperoleh dari percobaan ini adalah 0.0998 ..
5. Jumlah kalor yang dihasilkan akan sebanding dengan beda potensial
antara kedua ujung material tersebut, besar arus yang mengalir dan
lamanya waktu arus tersebut mengalir.
6. Persamaan garis grafik V vs I adalah y = 10.016x 2,3288
-
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
36/37
Andrearto Saleh Perdana | LR03 Karakteristik V I Semikonduktor 36
VIII. Referensi
1. Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice
Hall, NJ, 2000.
2. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition,Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.
3. www.wikipedia.org
4. http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13
5. Tipler, Paul A ; FISIKA untuk Sains dan teknik, 3th Edition,
Jakarta:Erlangga, 2001.
6. http://www.budysucks.co.cc/2008/08/prinsip-dasar-semikonduktor.html
7. http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7
8. http://www.unsri.ac.id/upload/arsip/semikonduktor.pdf
IX. Lampiran
Data Hasil Percobaan
Vi V(volt) I(mA)
V1
0,46 3,58
0,46 3,580,46 3,580,46 3,580,46 3,58
V2
0,94 7,49
0,94 7,490,94 7,490,94 7,490,94 7,49
V3 1,39 11,081,39 11,08
http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.budysucks.co.cc/2008/08/prinsip-dasar-semikonduktor.htmlhttp://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.unsri.ac.id/upload/arsip/semikonduktor.pdfhttp://www.unsri.ac.id/upload/arsip/semikonduktor.pdfhttp://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.budysucks.co.cc/2008/08/prinsip-dasar-semikonduktor.htmlhttp://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7http://www.electroniclab.com/index.php?option=com_content&view=article&id=13:prinsip-dasar-semikonduktor&catid=6:elkadasar&Itemid=7 -
7/31/2019 LR03-Andrearto Saleh Perdana
37/37
1,39 11,081,39 11,081,39 11,08
V4
1,87 15,31
1,87 15,311,87 15,311,87 15,311,87 15,64
V5
2,29 18.90
2,29 19,552,29 19,222,28 19,552,28 19,88
V6
2,88 25,42
2,88 25,742,87 25,422,87 25,742,87 26,07
V7
3,2 28,67
3,19 29,333,18 30,303,19 29,333,18 29,65
V8
3,64 34,86
3,63 35,523,62 35,843,61 36,49
3,61 36,82