EF
II – 1
EFEK
HALL PADA SEMIKONDUKTOR P-GERMANIUM
I. TUJUAN
Tujuan dilakukan percobaan ini adalah:
1. Untuk mengukur tegangan Hall pada
temperatur ruang dan medan magnet konstan sebagai fungsi dari arus kontrol dan
membuat plot pada sebuah grafik (pengukuran tanpa kompensasi untuk tegangan
cacat).
2. Untuk mengukur tegangan yang melintasi sampel
pada temperatur ruang dan arus kontrol konstan sebagai fungsi induksi magnet B.
3. Untuk mengukur tegangan yang melintasi
sampel pada arus control konstan sebagai fungsi temperatur. Jarak pita
germanium dihitung dari pengukuran-pengukuran.
4. Untuk mengukur tegang Hall UH sebagai fungsi induksi magnet B, pada temperatur ruang. Arah pembawa
muatan dan konstanta Hall RH bersamasama dengan mobilitas Hall μH dan konsentrasi pembawa muatan p dihitung
dari pengukuran-pengukuran.
5. Untuk mengukur tegangan Hall UH s ebagai fungsi temperatur pada induksi
magnet B konstan dan nilai-nilai yang diperoleh
diplot pada sebuah grafik
II.
DASAR TEORI
Efek Hall
adalah peristiwa membeloknya arus listrik dalam pelat konduktor karena adanya
pengaruh medan magnet. Peristiwa ini pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Dr.
Edwin Hall pada tahun 1879. Jika arus I mengalir
melalui kepingan konduksi persegi panjang dan jika kepingan dilintasi oleh
medan magnet pada sudut kanan arah arus, maka tegangan yang dihasilkan di
antara dua titik superposisi pada sisi yang berlawanan dengan kepingan –
disebut juga dengan tegangan Hall. Fenomena ini timbul dari gaya Lorentz:
pembawa muatan yang memberikan kenaikan arus yang mengalir melalui sampel
dibelokkan oleh medan magnet B sebagai
fungsi arah dan kecepatannya v:
(F =
gaya yang bekerja pada pembawa muatan, e =
muatan elementer). Karena pembawa muatan negatif dan positif di dalam
semikonduktor bergerak berlawanan arah, maka mereka dibelokkan pada arah yang
sama. Pada daerah konduktivitas intrinsik, kita mempunyai
di mana σ = konduktivitas, Eg = energi bandgap, k = konstanta Boltzmann, T = temperatur absolut. Jika logaritma konduktivitas diplot
terhadap T-1, sebuah garis lurus diperoleh
dengan kemiringan :
di mana Eg dapat ditentukan.
Dari nilai-nilai terukur yang digunakan
pada Gambar 5, kemiringan pada garis regresi dari
ln σ = ln σ0 + Eg/2k .
T-1
adalah
b = - Eg/2k = - 4,18 . 103 K
dengan standar deviasi sb = } 0,07 . 103 K.
(karena pengukuran-pengukurannya dibuat
dengan arus yang konstan, maka kita dapat mengatakan σ ≈ U-1, di mana U adalah tegangan yang melewati sampel). Karena
k = 8,625 . 10-5 eV/K
maka kita peroleh
Eg = b .
2k = (0,72 } 0,03) eV.
Dengan arah arus kontrol dan medan
magnet yang ditunjukkan pada Gambar 2, pembawa muatan yang memberikan kenaikan
arus pada sampel dibelokkan maju di tepi depan sampel. Oleh karena itu, jika
(dalam sebuah probe ndoped) elektron-elektron adalah pembawa muatan
utama, maka tepi depan sampel akan menjadi negatif dan dengan konduksi hole
pada sampel p-doped, menjadi positif. Konduktivitas σ0,
mobilitas pembawa muatan μH, dan konsentrasi pembawa muatan p dihubungkan melalui konstanta
Gambar 6 menunjukkan sebuah hubungan
yang linear antara tegangan Hall
dan medan B. Dengan nila-nilai yang digunakan pada
Gambar 6,
UH = U0
+ b . B
Mempunyai kemiringan b = 0,125 VT-1 , dengan standar deviasi sb = } 0,003 VT-1. Berdasarkan pada persamaan:
ketebalan sampel d = 1 . 10-3 m dan I = 0,030 A, konstanta
Hall RH ini menjadi RH = 4,17 . 10-3 m3/As dengan standar
deviasi sRH = 0,08 . 10-3 m3/As. Konduktivitas
pada temperatur ruang dihitung dari panjang sampel l, sampel pada bagian A dan hambatan
sampel R0 sebagai berikut:
Dengan nilai-nilai yang terukur l =
0,02 m, R0 = 35,0 Ω,
A = 1 . 10-5 m2
Kita peroleh σ0 = 57,14 Ω-1 m-1.
Sekarang mobilitas Hall pada pembawa
muatan dapat ditentukan dari
μH = RH
. σ0
Dengan menggunakan pengukuran-pengukuran
yang diberikan di atas, kita peroleh:
Konsntrasi
hole p pada sampel p-doped dihitung dari
Dengan menggunakan nilai muatan
elementari e = 1,602 . 10-19 As,
kita peroleh p = 14,9 . 1020 m-3.
METODE PERCOBAAN
A. Alat dan Bahan
Modul efek Hall, 11801.00
1
• Papan semikonduktor, p-Ge, efek Hall 11805.01 1
• Kumparan, 600 lilitan 06514.01 1
• Inti besi, berbentuk-U, berlapis-lapis 06501.00 1
• Potongan elektroda, bidang, 30x30x48 mm, 2 06489.00 1
• Probe Hall, 13610.02 1
• Power supply 0-12 V DC/6 V, 12 V AC 13505.93 1
• Pangkalan kaki tiga-PASS- 02002.55 1
• Batang pendukung -PASS-,segi empat,l=250mm 02025.55 1
• Penjepit sudut kanan -PASS- 02040.55 1
• Kabel penghubung, l = 500 mm, merah 07361.01 3
• Kabel penghubung, l = 500 mm, biru 07361.04 2
• Kabel penghubung, l = 750 mm, hitam 07362.05 2
• Teslameter, digital 13610.93 1
• Multimeter digital 7134.00 1
B. Langkah Percobaan
1. Aturlah alat-alat percobaan seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 1. Potongan uji pada papan harus diletakkan ke dalam
modul efek Hall melalui petunjuk alur. Modul secara langsung dihubungkan dengan
keluaran unit power supply 12 V~ di atas masukan AC pada samping belakang modul
2. Masukkan pelat ke magnet dengan sangat
hati-hati, sehingga tidak sampai terjadi kerusakan kristal dalam partikel,
hindari pelat melengkung.
3. Ukurlah tegangan Hall dan tegangan yang
melintasi sampel dengan sebuah multimeter. Oleh karena itu, gunakan stopkontak-stopkontak
pada sisi depan modul. Arus dan temperatur dapat dibaca dengan mudah pada
display yang terintegrasi dengan modul.
4. Ukur medan magnet harus dengan
teslameter melalui probe Hall, yang mana dapat dimasukkan secara langsung ke
dalam lubang alur pada modul seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 sehingga
anda dapat meyakinkan bahwa fluks magnet dapat diukur secara langsung pada sampel
Germanium.
Langkah pengambilan data:
1. Atur medan magnet ke nilai 250 mT
dengan mengubah tegangan dan arus pada power supply. Hubungkan multimeter ke
stopkontak tegangan Hall (UH) pada sisi depan modul. Atur display
pada modul ke “ mode-arus”. Tentukan tegangan Hall sebagai fungsi arus dari -30
mA sampai 30 mA pada step hampir 5 Am. Anda akan memperoleh tipe pengukuran
seperti pada Gambar 3.
2. Atur arus kontrol ke 30 mA. Hubungkan
multimeter ke stopkontak tegangan sampel pada sisi depan modul. Tentukan
tegangan sampel sebagai fungsi induksi magnet B positif sampai 300 mT. Anda
akan memperoleh tipe grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 2: Efek Hall pada sampel
berbentuk persegi panjang. Tanda polaritas tegangan Hall yang diberikan
ditunjukkan ketika pembawa terisi muatan negatif.
Gambar 3: Tegangan Hall sebagai fungsi
arus.
3. Yakinkan bahwa display bekerja pada
mode temperatur selama pengukuran. Pada saat memulai, atur arus ke nilai 30 mA.
Medan magnet akan mati. Arus tetap mendekati konstan selama pengukuran, tetapi tegangan
berubah berdasarkan perubahan temperatur. Sekarang, atur display pada mode
temperatur. Mulailah pengukuran dengan mengaktifkan kumparan panas dengan
menekan tombol “on/off” pada sisi belakang modul. Tentukan perubahan tegangan
yang bergantung pada perubahan temperatur untuk rentang mulai temperatur ruang
sampai temperatur
maksimu 170°C.
Anda akan memperoleh sebuah tipe kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5: Resiprok tegangan sampel yang
diplot sebagai fungsi resiprok temperatur absolut. (Karena I konstan selama pengukuran, maka U-1 ≈ σ dan oleh karenanya grafik menjadi
ekuivalen dengan plot konduktivitas terhadap resiprok temperatur.
4. Atur arus ke nilai 30 mA. Hubungkan
multimeter ke stopkontak tegangan Hall (UH)
pada sisi depan modul. Tentukan tegangan Hall sebagai fungsi induksi magnet.
Mulailah dengan -300 mT dengan cara mengubah polaritas arus kumparan dan
meningkatkan induksi magnet pada step sekitar 20 mT. Pada titik nol, anda harus
mengubah polaritas. Sebuah tipe pengukuran ditunjukkan pada Gambar 6.
5. Atur arus ke nilai 30 mA dan induksi
magnet ke nilai 300 mT. Tentukan tegangan Hall sebagai fungsi temperatur. Atur
display pada mode temperatur. Mulailah pengukuran dengan mengaktifkan kumparan
panas dengan menekan tombol “on/off” pada sisi belakang modul. Anda akan
memperoleh sebuah kurva seperti Gambar 7.
EF II - 2
MEDAN LISTRIK DAN
POTENSIAL PADA PELAT KAPASITOR
I. TUJUAN
1. Untuk mengamati hubungan
antara tegangan dan kuat medan listrik, dengan jarak antar pelatnya konstan.
2. Untuk mengamati hubungan
antara kuat medan listrik dan jarak antar plat, dengan tegangan konstan.
3. Untuk mengukur potensial
di dalam plat kapasitor, dengan sebuah probe sebagai fungsi posisi
II. DASAR TEORI
Persamaan di atas adalah
persamaan Maxwell untuk medan listrik E pada pelat kapasitor. Untuk kasus keadaan mantap (steady-state) dalam muatan kosong jarak
antara pelat-pelat,
Jika salah satu pelat
ditempatkan pada bidang y-z dan pelat yang lain sejajar dengan bidang itu pada jarak d, dan
jika batas gangguan karena luasan yang terbatas pada pelat-pelat diabaikan,
maka persamaan (2) berikut menyatakan bahwa E terletak pada arah x dan seragam. Oleh karena
medan tidak berotasi (rot E =0), maka dapat direpresentasikan sebagai gradien medan skalar φ:
Sedangkan E, karena dia seragam, maka
bisa juga direpresentasikan sebagai hasil bagi dari diferensial
Dimana diferensial potensial
sama dengan tegangan U yang diberikan dan d adalah jarak antar plat-plat.
Langkah
percobaan
1. Pengaturan percobaan sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 1.
2. Pertama kali medan listrik meter (electric field meter) harus dinolkan dengan tegangn 0 V. Kemudian
ukurlah medan listrik dengan tegangan bervariasi pada beberapa jarak antar
pelat (}
10 cm).
3. Ukurlah kuat medan listrik sebagai
fungsi jarak antara dua pelat kapasitor, pada rentang kira-kira 2 - 12 cm,
dengan pengaturan tak berubah, tetapi dengan tegangan konstan sebesar 200V.
4. Pengaturan percobaan seperti
ditunjukkan pada Gambar 2. Antara platplat memiliki jarak 10 cm; tegangan yang
diberikan adalah 250 V.
5. Ukurlah potensial di antara plat-plat
dengan probe pengukur potensial. Untuk menghindari interferensi dari permukaan
muatan, udara pada ujung probe diionisasi, menggunakan sebuah nyala api
sepanjang 3-5 mm. Probe sebaiknya selalu diletakkan sejajar dengan plat-plat kapasitor.
EF II - 3
KETERGANTUNGAN RESISTOR
DAN DIODA
TERHADAP TEMPERATUR
1.
TUJUAN PERCOBAAN
Tujuan dari percobaan ini
adalah:
1. Mengukur resistansi pada
komponen listrik yang berbeda yang bergantung pada temperatur.
2. Mengukur tegangan
konduksi pada dioda semikonduktor yang bergantung pada temperatur.
3. Mengukur tegangan dalam
efek zener dan avalans yang bergantung pada temperatur.
II. DASAR TEORI
Pada rentang temperatur terbatas,
perubahan resistensi pada komponen listrik dapat diasumsikan menjadi linear.
Dalam hal ini, rumus umum untuk ketergantungan resistansi terhadap temperatur
adalah valid.
R(T) = R30 + R10 ・α・ (T – 20°C)
Dimana
R(T) = resistansi pada
temperatur T
R20 = resistansi pada
temperatur 20˚C
α = koefisien temperatur
T = temperatur pada waktu
pengukuran
Dengan menyusun kembali
dan mensubstitusi nilai-nilai yang terukur koefisien temperatur dapat
ditentukan dengan menggunakan rumus.
1. Pada kawat tembaga bagian
elektron bebas dalam uap elektron, yang mana berkontribusi untuk transportasi
muatan, menjadi lebih pendek dengan meningkatnya temperatur. Perubahan
resistansi dapat terlihat secara jelas: resistansi meningkat. Hasilnya adalah
koefisien temperatur bernilai positif.
αCu = 5.3 . 10-3/K
Resistansi kawat CuNi
mendekati konstan diatas range yang terukur.
Hal ini sesuai dengan
aturan Mathies, yang mana menyatakan bahwa Rtot =R20 + R(T). Perubahan
resistansi terhadap temperatur sangat kecil pada range temperatur yang terukur.
Akibatnya, resistansi mutlak (R20) adalah dominan. Eksperimen ini memberikan
koefisien temperatur bernilai negatif yaitu
αCuNi = -1.4 . 10-4/K
Pada resistor lapisan
karbon, resistansi mutlak sangat tinggi pada awalnya. Perubahan terhadap temperatur,
seperti halnya dengan CuNi, kecil dan secara praktis tidak berpengaruh. Hasil
koefisien temperaturnya negatif
αC = -2.3 . 10-3/K
Resistor lapisan logam
juga memiliki resistansi mutlak yang relatif tinggi pada temtemperatur 20˚C.
Dan perubahan pada range temperatur yang terukur lebih rendah daripada karbon.
Oleh karena itu, koefisien temperaturnya mendekati nol. αmetal = → 0 Dua
resistor NTC dan PTC mengandung alloy.
Berdasarkan pada komposisinya, perubahan
resistansinya besar dapat terealisasikan pada range temperatur yang kecil.
Kurva yang tercatat pada eksperimen ini tidak bisa lagi dianggap linear. Mereka
hanya berfungsi untuk menggambarkan perilaku resistor NTC dan PTC. Nilai-nilai
literatur:
αCu = 4.3 . 10-3/K
αCuNi = -3.0 . 10-3/K
αC = -2.4 . 10-4/K
αmetal = } 0....50 . 10-6/K
αNTC = -6.15% /K
αPTC = 20% /K
Nilai untuk PTC ini
berlaku di wilayah curam dari garis karakteristik.
2. Pada semikonduktor
jumlah pembawa muatan dan densitas pembawa muatan meningkat dengan meningkatnya
temperatur (penghasil pembawa muatan, bentuk pasangan elektron-hole). Dari
hukum
σ = e . n . μ
Dimana
σ = konduktivitas
intrinsik
e = muatan elementer
n = densitas pembawa
muatan
μ = mobilitas
Kita dapat melihat
konduktivitas intrinsik dari semikonduktor demikian meningkat. mobilitas memang
menurun dengan meningkatnya temperatur, tetapi peningkatan densitas pembawa
muatan mengkompensasi efek ini. Penurunan yang pasti pada resistansi dapat
teramati, hal ini memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa ada koefisien temperature
yang negatif. Melalui perhitungan dengan rumus tersebut di atas untuk ketergantungan
temperatur, disusun kembali untuk tegangan Up, berikut ini nilai-nilai yang
diperoleh.
αSi = -3.4 . 10-3/K
αGe = -4.6 . 10-3/K
3. Pada tegangan rendah,
sekitar 3 V, gangguan Zener terjadi pada dioda Z. Sebagai hasil dari medan
listrik yang kuat, pasangan elektron-hole secara spontan dihasilakan dalam
shell elektron inner pada zona lapisan penghalang. Di bawah pengaruh medan
pembawa muatan, mereka menyeberangi lapisan penghalang. Temperatur yang tinggi
meningkatkan energi pada ikatan pembawa muatan. Akibatnya, efek Zener dapat
terjadi pada tegangan yang lebih rendah. Pada efek avalanche (longsoran), pembawa
muatan dipercepat oleh medan listrik hingga ke tingkat yang besar dimana mereka
pada akhirnya melepaskan pembawa muatan yang lain bertabrakan dengan atom-atom
yang lain, yang pada akhirnya akan dipercepat. Semakin tinggi temperatur maka
akan semakin pendek jalur bebasnya, sehingga tegangan menjadi meningkat dengan
kenaikan temperatur untuk terus melepaskan pembawa muatan. Dari perhitungan, diperoleh
hasil nilai-nilai sebagai berikut:
αZPD2.7 = -7.3 . 10-4/K
αZPD2.8 = -4.6 . 10-3/K
Nilai-nilai literatur:
αZPD2.7 = -9....-4 .
10-4/K
αZPD6.8 = +2....+7 .
10-3/K
III.
METODE PERCOBAAN
A.
Alat dan Bahan
•
Immersion probe untuk menentukan
temperatur Tc 1 buah
•
Immersion thermostat TC 1 buah
•
Wadah untuk thermostat, Makrolon 1 buah
•
Satu set asesoris untuk TC 1 buah
•
Multimeter digital 1 buah
•
Power supply 0-12 V DC/6 V, 12 V AC 1
buah
•
Resistor carbon PEK 1 W 5% 4.7 kN 1 buah
•
Kotak penghubung 1 buah
•
Kabel penghubung, l = 500 mm, biru 1
buah
•
Kabel penghubung, l = 750 mm, merah 2
buah
•
Kabel penghubung, l = 750 mm, biru 2
buah
B.
Langkah Percobaan
1. Rangkailah alat percobaan seperti
pada Gambar 4.
2. Letakkan rangkaian immersion probe
yang terbungkus oleh plastic kedap air ke dalam wadah air. Nilai resistansi
dari PTC, NTC, lapisan tipis (film) logam dan resistor film karbon, dan juga resistor
kabel Cu dan CuNi, dapat diukur secara langsung dengan multimeter digital (diagram
rangkaian, Gambar 5). Untuk melakukan langkah ini, sambungkan multimeter ke
colokan ground, yang mana telah tersambungkan ke semua komponen, dan colokan
ditempatkan di bawah tanda yang sesui dengan komponen masing-masing. Catat
nilai resistansi yang berbeda dan plot sebagai fungsi temperatur.
Gambar 5. Diagram rangkaian
3. Untuk mengukur tegangan dioda
semikonduktor, hubungkan diode tersebut pada tegangan 10V. Hubungkan resistor
4.7 _
dengan komponen secara seri. Atur
tegangan 10 V pada power supply universal, dan sesuaikan pembatas arus ke nilai
maksimumnya. Ukur tegangan paralel untuk komponen. Catat tegangan konduksi
sesuai dengan temperatur tegangan masing-masing.
4. Ukurlah juga tegangan blok pada efek
Zener dan efek avalanche (longsoran) dengan susunan rangkaian seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 6.
Gambar 6. Diagram rangkaian untuk
mengukur tegangan blok
pada efek Zener dan efek avalanche
0 komentar:
Posting Komentar