2014
LABORATORIUM FISIKA MATERIAL – IHFADNI NAZWA
EFEK HALL Ihfadni Nazwa, Darmawan, Diana, Hanu Lutvia, Imroatul Maghfiroh, Ratna Dewi Kumalasari Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika, Departemen Fisika Universitas Airlangga Surabaya
Abstract. Telah dilakukan percobaan Efek Hall dengan tujuan untuk mempelajari besaran karakteristik suatu bahan semikonduktor melalui penentuan kuantitas-kuantitas fisis bahan yaitu koefisien Hall RH, Resistivitas ρ, dan pembawa muatan p atau n (hole dan electron). Efek Hall sendiri merupakan peristiwa membeloknya arus listrik dalam pelat konduktor atau semikonduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Percobaan ini dilakukan dengan memasang bahan semikonduktor tipe n- Germanium dan tipe npn-Germanium pada sebuah alat yang disebut dengan Modul Hall. Kemudian mengatur arus listrik dengan cara memutar knop berputar yang telah terpasang pada alat. Untuk semikonduktor intrinsik arus dimulai dari -15 mA sampai dengan 15 mA dengan interval 2 mA, sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik dimulai dari -30 mA sampai dengan 30 mA dengan interval sebesar 5A. Selain arus, besaran lain yang dicatat adalah tegangan hall UH. Tegangan dapat diketahui dengan memasang multimeter pada Modul Hall. Setiap perubahan arus, maka tegangan hallnya juga akan berubah. Dari data yang didapat tersebut kemudian dibuat grafik hubungan antara U H dengan I. Dan berdasarkan analisis dari data yang diperoleh, didapatkan besarnya koefisien Hall untuk bahan semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik sebesar 2007,667 𝑥 10−3 𝑚. 𝑉/𝐴 dan 0,1588 𝑚. 𝑉/𝐴. 𝑇, sedangkan resistivitas dan pembawa muatan p masing-masing adalah sebesar 0,6023001 𝑚. 𝑉/𝐴 dan 3,113 𝑥 1018 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶 untuk semikonduktor intrinsik dan 0,04764 𝑚. 𝑉/𝐴 dan 3,935 𝑥 1019 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶 untuk semikonduktor ekstrinsik. Keywords: Efek Hall, Koefisien hall, Modul Hal, Resistivitas, semikonduktor.
1
Pendahuluan
Kata “Semikonduktor” sangat identik dengan peralatan elektronika yang kita pakai saat ini. Hampir setiap peralatan elektronika canggih seperti handphone, televisi, komputer merupakan hasil dari teknologi semikonduktor. Komponen penting yang membentuk sebuah peralatan elektronika seperti transisitor, dioda, dan IC adalah komponen elektronika aktif yang terbuat dari semikonduktor. Oleh karena itu bahan semikonduktor memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap perkembangan teknologi elektronika. Bahan semikonduktor adalah bahan penghantar listrik yang mungkin tidak sebaik konduktor tetapi tidak seburuk isolator yang sama sekali tidak bisa menghantarkan arus listrik. Pada dasarnya kemampuan menghantarkan arus listrik semikonduktor berada diantara konduktor dan isolator. Akan tetapi semikonduktor berbeda dengan resistor, karena semikonduktor dapat menghantarkan listrik atau berfungsi sebagai
konduktor jika diberikan arus listrik tertentu, suhu tertentu dan juga tata cara tertentu. Sebenarnya banyak bahan-bahan dasar yang dapat digolongkan sebagai bahan semikonduktor, tetapi yang paling sering digunakan untu bahan dasar komponen elektronika hanya beberapa jenis saja, yaitu silicon, selenium, germanium dan metal oxides. Untuk memproses bahan-bahan semikonduktor tersebut menjadi komponen elektronika perlu dilakukan “doping” yaitu proses menambahkan ketidakmurnian pada semikonduktor yang murni sehingga dapat merubah sifat atau karakteristik kelistrikannya. Beberapa bahan yang digunakan untuk menambahkan ketidakmurnian semikonduktor antara lain arsenic, indium, dan antimony. Bahan tersebut sering disebut sebagai dopant, sedangkan semikonduktor yang telah melalui proses doping disebut sebagai semikonduktor ekstrinsik. Adapun semikonduktor yang masih murni atau belum dicampuri dengan unsur lain ketika proses pembuatannya dinamakan dengan semikonduktor intrinsik. Semikonduktor ini atom-atomnya masih
2 murni satu unsur saja. Pada suhu 0 K pita valesinya penuh, pita konduksi kosong sehingga bersifat isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal pada suhu kamar, ada elektron pada vita valensi yang energinya melebihi energi gapnya sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan inilah yang dinamakan dengan hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan elektron. Besaran karakteristik pada bahan semikonduktor dapat diidentifikasi salah satunya dengan uji efek hall. Efek hall adalah gaya yang disebabkan oleh gaya pembawa muatan positif dan pembawa muatan negatif akan cenderung mengarah ke kanan ketika pembawa muatan ini hanyut di sepanjang plat logam atau semikonduktor. Hal ini yang menyebabkan terjadinya beda potensial kecil (mV). Uji efek hall ini bisa digunakan untuk menentukan besar koefisien hall dari bahan semikonduktor tersebut. sedangkan koefisien hall dapat digunakan untuk menghitung nilai-nilai besaran fisis karakter dari semikonduktor sebagai pembanding antara semikonduktor yang satu dengan yang lain.
2
Dasar Teori
Jika medan magnet B diletakkan tegak lurus pada suatu plat logam (konduktor atau semikonduktor) dengan cara menempatkan plat tersebut diantara muka-muka kutub sebuah elektromagnet. Medan ini mengarahkan gaya pembelok F pada plat sebagaimana dirumuskan dalam 𝑖𝑙 𝑥 𝐵, yang menunjuk ke arah kanan seperti pada gambar 1.
Ihfadni Nazwa yang menyebabkan beda-beda potensial kecil V di antara sumbu x dan y. Secara keseluruhan fenomena ini lebih dikenal dengan sebutan efek Hall. Formulasi Koefisien hall RH 𝑅𝐻 ≡
𝐸𝑦 𝑈𝐻 𝑡 = 𝐽𝑥 𝐵 𝐼 𝐵
Resistivitas ρ 𝜌≡
𝐸𝑥 = 𝐵𝑅𝐻 𝐽𝑥
Pembawa muatan electron/hole 𝑝=𝑛=
1 𝑒𝑅𝐻
Dimana e, j, E, dan B Besaran-besaran fundamental dan t,w dan L adalah dimensi volume dari sampel (t x l x w).
3
Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen ini adalah sebagai berikut: a. Modul Hall b. Multimeter c. Plat Semikonduktor Ekstrinsik
B
intrinsik
dan
d. Power Supply
w 4 L Oleh karena gaya yang mengarah ke samping pada plat tersebut adalah disebabkan oleh gaya pembawa muatan yaitu 𝑞𝑣 𝑥 𝐵. Pembawapembawa muatan positif (hole) atau negatif akan cenderung mengarah ke kanan ketika pembawa muatan ini hanyut sepanjang plat logam. Hal inilah
Metode Eksperimen
Pada eksperimen kali ini bahan yang digunakan adalah dua buah semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. 2 buah plat semikonduktor tersebut secara bergantian dipasang pada sebuah alat yang dinamakan dengan Modul Hall yang sebelumnya telah dipasangkan sebuah multimeter untuk mengukur berapa tegangan hallnya. Setelah semuanya telah terpasang dengan baik, kemudian
menyalakan modul hall dan mulai mengatur arusnya. Untuk semikonduktor intrinsik, arus dimulai dari -15 mA sampai dengan 15 mA dengan interval 2 mA. Sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik, arus dimulai dari -30 mA sampai 30 mA dengan interval 5 mA. Kemudian mencatat arus dan tegangan hallnya. Barulah kemudian dilakukan analisis data untuk mencapai tujuan eksperimen.
terhadap arusnya. Semakin besar arus maka tegangan hall semakin besar pula. Hal ini disebabkan oleh karena hole yang bermuatan positif bergerak searah dengan elektron mengalami gaya magnet yang berbeda. Sehingga tidak terkumpul pada salah satu sisi bahan saja. Akibatnya semakin tinggi arus dan medan magnet yang diberikan maka tegangan hall yang dihasilkan juga semakin besar.
5
Dari grafik yang telah kami buat, kami mendapatkan persamaan regresi linear. Untuk semikonduktor intrinsik, didapatkan regresi linearnya 𝑦 = 602,3𝑥 − 0,1555, sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik didapatkan regresi linear 𝑦 = 47,64𝑥 − 0,042. Dari regresi tersebut diperoleh besarnya nilai gradient yang nantinya digunakan untuk memperoleh koefisien hall, resistivitas dan pembawa muatan.
Data Hasil Pengamatan
(terlampir) 6
Analisis Data
(Terlampir) 7
Hasil dan Pembahasan
Pada eksperimen kali ini kami mencoba melakukan uji efek hall terhadap dua buah semikonduktor yang berbeda, yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik dengan tujuan untuk mempelajari besaran karakteristik suatu bahan semikonduktor melalui penentuan kuantitaskuantitas fisis bahan yaitu koefisien Hall RH, resistivitas ρ dan pembawa muatan p atau n (hole atau electron). Apabila sebuah semikonduktor dikenai suatu medan elektrik, maka elektron-elektron dalam pita konduksinya akan mencoba bergerak menurut arah berlawanan medan. Yang demikian tersebut mampu memberikan arus elektrik. Elektronelektron dalam pita valensi juga mencoba bergerak menurut arah yang berlawanan dengan medan, tetapi untuk melakukannya setiap elektron harus berpindah dari satu keadaan terisi ke salah satu keadaan kosong pita valensi yang sedikit. Pada saat medan elektrik menarik elektron-elektron ke salah satu ujung bahan semua kekosongan akhirnya akan terpusatkan pada ujung lainnya. Kekosongan ini disebut sebagai lubang (hole). Dengan demikian, arus dalam semikonduktor terdiri atas 2 bagian yaitu aliran elektron bermuatan negatif dalam pita konduksi dan aliran lubang bermuatan positif dalam pita valensi. Pada percobaan ini data yang dicatat adalah arus serta tegangan hallnya. Kemudian dibuatlah grafik hubungan antara arus dan tegangan hall tersebut. grafik yang diperoleh menunjukkan bahwa tegangan hall yang dihasilkan berbanding lurus
Berdasarkan analisis perhitungan, untuk masingmasing semikonduktor memiliki koefisien hall tersendiri. Untuk semikonduktor intrinsik memiliki koefisien hall sebesar 2007,667 𝑥 10−3 𝑚. 𝑉/𝐴 dengan nilai resistivitas sebesar 0,6023001 𝑚. 𝑉/𝐴 dan pembawa muatan sebesar 3,113 𝑥 1018 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶 . sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik, koefisien hallnya sebesar 0,1588 𝑚. 𝑉/𝐴. 𝑇 dengan resistivitas sebesar 0,04764 𝑚. 𝑉/𝐴 dan pembawa 19 muatannya sebesar 3,935 𝑥 10 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶. Di dalam medan magnetik 300 mT, koefisien hall untuk semikonduktor intrinsik memiliki nilai yang jauh lebih besar dibandingkan dengan semikonduktor ekstrinsik. Hal ini dimungkinkan karena semikonduktor intrinsik tersusun dari bahan yang masih murni dan belum tercampur dengan bahan-bahan lain.
8
Kesimpulan
Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, dapat kami simpulkan bahwa setiap semikonduktor memiliki nilai koefisien, resistivitas dan pembawa muatan yang berbeda. Untuk semikonduktor intrinsik memiliki koefisien hall sebesar 2007,667 𝑥 10−3 𝑚. 𝑉/𝐴 dengan nilai resistivitas sebesar 0,6023001 𝑚. 𝑉/𝐴 dan pembawa muatan sebesar 3,113 𝑥 1018 𝐴. 𝑇/ 𝑚. 𝑉. 𝐶 . sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik, koefisien hallnya sebesar 0,1588 𝑚. 𝑉/𝐴. 𝑇 dengan resistivitas sebesar
4
Ihfadni Nazwa
0,04764 𝑚. 𝑉/𝐴 dan pembawa sebesar 3,935 𝑥 1019 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶. 9 [1]
[2]
[3]
muatannya
Daftar Pustaka Saragih, Albert Daniel. 2010. Analisis Fenomena Elektron Bahan semikonduktor Si dan Ge. Jakarta : Erlangga. Tim KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Fisika Ekpserimental Lanjut. Surabaya : Universitas Airlangga http://teknikelektronika.com/prinsip-dasardan-pengertian-semikonduktorsemiconductor/. Diakses tanggal 15 November 2014
LAMPIRAN 1. Data Hasil Pengamatan -
-
Semikonduktor intrinsik I (A) -0,015 -0,013 -0,011 -0,009 -0,007 -0,005 -0,003 -0,001 0,001 0,003 0,005 0,007 0,009 0,011 0,013 0,015
UH (V) -8,692 -7,77 -6,845 -5,888 -4,897 -3,714 -2,2788 -1,2327 0,9321 2,1139 3,391 4,4865 5,787 6,452 7,52 8,147
I(A) -0,03 -0,025 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
UH (V) -1,4651 -1,2353 -1,006 -0,7733 -0,5399 -0,3021 0,0079 0,2069 0,4705 0,6669 0,9236 1,1256 1,3659
Semikonduktor ekstrinsik
2. Analisis Data Setelah diperoleh data, maka langkah selanjutnya adalah membuat grafik hubungan antara UH dengan I dan dilanjutkan dengan analisis untuk menentukan nilai koefisien hall, resistivitas
6
Ihfadni Nazwa
dan pembawa muatannya. Berikut grafik yang kami dapatkan untuk masing-masing semikonduktor : Semikonduktor intrinsik
Grafik Hubungan antara arus dan Tegangan Hall superkonduktor intrinsik
UH (V)
-
-0.02
-0.01
10 8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8 -10 -12
y = 602.3x - 0.155 R² = 0.993
UH (V)
0.01
0.02
Линейная (UH (V))
I (A)
Dari grafik diperoleh persamaan regresi linear : 𝑦 = 602,3𝑥 − 0,155, sehingga jika dilakukan pendekatan dengan persamaan : 𝑅𝐻 =
𝑈𝐻 =
𝑈𝐻 𝑡 𝐼 𝐵
𝑅𝐻 𝐵 𝐼 𝑡
𝑅 𝐵
Maka 𝑚 = 𝐻𝑡 , dengan demikian dapat dicari koefisien hall, resistivitas dan pembawa muatannya dimana : m : gradien B : Medan Magnet (0,3 T) t
: tebal bahan (1mm=0,001 m)
Koefisien Hall (RH) : 𝑅𝐻 = 𝑅𝐻 =
𝑚𝑡 𝐵
602,3 𝑥 0,001 0,3
𝑅𝐻 = 2007,667 𝑥 10−3 𝑚. 𝑉/𝐴. 𝑇 Resistivitas (ρ) :
𝜌 = 𝐵𝑅𝐻 𝜌 = 0,3 𝑥 2007,667 𝑥 10−3 𝜌 = 0,6023001 𝑚. 𝑉/𝐴 Pembawa Muatan p atau n 𝑝=𝑛= 𝑝=𝑛=
1,6 𝑥 10−19
1 𝑒𝑅𝐻
1 (2007,667 𝑥 10−3 )
𝑝 = 3,113 𝑥 1018 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶 Semikonduktor ekstrinsik Grafik Hubungan antara Kuat arus dengan tegangan Hall Semikonduktor ekstrinsik 2
y = 47.64x - 0.042 R² = 0.999
1.5 1 0.5
UH (V)
-
-0.04
0 -0.02
UH (V)
-0.5 0
0.02
0.04
Линейная (UH (V))
-1 -1.5 -2 I (A)
Diperoleh persamaan regresi linear : 𝑦 = 47,64𝑥 − 0,042 sehingga jika dilakukan pendekatan dengan persamaan : 𝑅𝐻 =
𝑈𝐻 = 𝑅 𝐵
𝑈𝐻 𝑡 𝐼 𝐵
𝑅𝐻 𝐵 𝐼 𝑡
Maka 𝑚 = 𝐻 , dengan demikian dapat dicari koefisien hall, resistivitas dan pembawa 𝑡 muatannya, dimana : m : gradient B : Medan Magnet (0,3 T) t
: tebal bahan ( 1 mm = 0,001 m)
8
Ihfadni Nazwa
Koefisien Hall (RH) : 𝑅𝐻 = 𝑅𝐻 =
𝑚𝑡 𝐵
47,64 𝑥 0,001 0,3
𝑅𝐻 = 0,1588 𝑚. 𝑉/𝐴. 𝑇
Resistivitas (ρ) : 𝜌 = 𝐵𝑅𝐻 𝜌 = 0,3 𝑥 0,1588 𝜌 = 0,04764 𝑚. 𝑉/𝐴 Pembawa Muatan p atau n 𝑝=𝑛= 𝑝=𝑛=
1 𝑒𝑅𝐻 1
1,6 𝑥
10−19
(0,1588)
𝑝 = 3,935 𝑥 1019 𝐴. 𝑇/𝑚. 𝑉. 𝐶
