MODUL 5 KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER

MODUL 5 KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER Muhammad Ilham, Rizki, Moch. Arif Nurdin,Septia Eka Marsha Putra, Hanani, Robbi Hidayat. 10211078, 10210023, 10211003, 10211022, 10211051, 10211063. Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail: [email protected] Asisten: (CH. A. Andre Mailoa /10210026) Tanggal Praktikum: (31-10-2013) Abstrak LED (Light Emiting Diode) adalah suatu komponen elektronika yang tersusun dari gabungan bahan semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya. LED memiliki karakteristik yang dapat diamati oleh I-V meter. Karakteristik LED yang dapat diamati dengan I-V meter diantaranya perubahan arus terhadap tegangan, energi Band Gap, tegangan Threshold, maupun panjang gelombang cahaya yang dipancarkan. Alat yang digunakan untuk karakterisasi LED yaitu I-V meter ELKAHFI 100. I-V meter ELKAHFI 100 dapat menentukan hubungan karakteristik antara arus dan tegangan dari suatu LED. Pada hasil data yang telah diolah dengan membandingkan hasil perhitungan dengan data referensi yang ada, maka dapat dibandingkan jenis warna dan energi band gap LED hasil pengamatan dengan hasil perhitungan. Karakteristik dari LED dapat diketahui melalui pengukuran karakteristik hubunganarus dan tegangan LED menggunakan I-V meter.

Kata Kunci : Band gap, IV meter, LED, Panjar Maju, Tegangan threshold I. Pendahuluan 1.1 Tujuan Tujuan dari praktikum ini adalah menentukan karateristik LED dan menentukan jenis warna LED yang digunakan melalui hasil data yang didapatkan. 1.2 Teori Dasar

Gambar 1. Light Emitting Diode (LED)

Light Emitting Diode (LED) adalah salah satu komponen elektronika yang terbuat dari bahan semi konduktor jenis dioda yang mempu mengeluarkan cahaya. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi pada LED elektron menerjang sambungan P-N (PositifNegatif). Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. LED memiliki bentuk fisik seperti gambar berikut,

LED menghasilkan cahaya monokromatik . Prinsip kerjanya ketika LED diberi tegangan panjar maju maka LED akan mengalami medan elekromagnetik sehingga elektron akan mengalami rekombinasi dengan hole, rekombinasi ini melepaskan energi berupa foton, foton ini lah yang menyebabkan cahaya terpancar dari LED. Pada saat bahan semikonduktor jenis p dan n digabungkan maka elektron bebas dari bahan jenis n akan berdifusi menuju bahan p dan berekombinasi dengan hole pada bahan jenis p, Sebaliknya juga hole pada bahan pakan berdifusi ke bahan n dan berekomendasi 1

dengan elektron. Proses rekombinasi ini akan saling meniadakan muatan , akibatnya akan ada daerah disekitar sambungan p-n yang muatan yang netral, daerah ini yang disebut daerah deplesi. Cahaya yang dipancarkan oleh dioda ini adalah hasil dari pelepasan energi oleh elektron saat berpindah dari pita konduksi kepita valensi. Pada dioda/LED, energi yangdipancarkan oleh elektron ini setara dengan perbedaan energi antara pita valensi dan pita konduksi, yaitu besar energi gap yang ada pada sambungan p-n. Sehingga energi gap yang ada pada daerah pengosongan sama dengan energi yang dipancarkan oleh elektron dalam bentuk cahaya saat berpindah dari pitakonduksi ke pita valensi. LED memiliki kurva karakteristik sebaga berikut,

T = Suhu ruangan (Kelvin) I-V Meter adalah alat yang dapat mengukur kuantitas atau intensitas listrik, dimana I-Vmeter dapat membangkitkan tegangan yang sebanding dengan rasio arus masukkan dan referensi. Dengan menggunakan I-V meter ini kita dapat mengukur kondisi arus dalam dioda terhadap tegangan yang diberikan, dengan demikian kita dapat melihat karakteristik dioda yang dipakai.Dengan menggunanakan persamaan (1), kitadapat menentukan persamaan regresi yang digunakan yaitu,

maka nilai band gap (Eg) dapat diperoleh dipersamaan (3) dan (4) Eg =

(5) dan Eg =

(6)

h = 6,626 x 10-34 J.s c = 299792458 m/s II. Metode Percobaan Pada percobaan modul ini akan diukur besar arus yang mengalir dalam LED terhadap tegangan yang dimasukkan melalui I-V meter. I-V meter yang digunakan dalam modul ini adalah IV Meter ELKAHFI 100, Langkah pertama yaitu mempersiapkan perangkat I-V meter, mulai dari pemasangan kabelkabel jumper sampai koneksi ke komputer. Setelah perangkat I-V meter dipasangd engan benar, jumper voltage outputdihubungkan dengan kutub positif LEDdan jumper current input dengan kutub negatif LED. Kemudian

Gambar 2. Kurva Karakteristik LED Dari kurva karakteristik pada gambar [2], persamaan LED yang menyatakan hubungan tegangan dengan arus adalah :

Keterangan Eg = Energi Band Gap (eV) k = Konstanta Boltzman =1.38 x 1023 kgm2s-2 K-1 q = Muatan Elektron = 1.6x10-19Coulumb 2

dibuka software ELKAHFI 100 dan run untuk memulai pengambilan data.Software ELKAHFI 100 ini akan mengambil data arus dalam dioda terhadap tegangan. Kemudian setelah data diperoleh, datadisimpan dalam file ..xls , kemudian dilakukan lagi pengambilan data untuk LED dengan warna pendar yang berbeda-beda.

LED Hijau (bening)

III. Data dan Pengolahan Gambar 4. Karakteristik 1 LED hijau (bening).

Data warna LED No

Warna

1 2 3 4 5 6

Putih Hijau Biru Orange Merah Pelapis merah besar Pelapis merah kecil Pelapis kunig Pelapis hijau

7

8 9

Tegangan I (V) 2,64 1,85 2,44 1,59 1,54 3,84

Tegangan II (V) 2,52 1,77 2,41 1,58 1,5 3,83

2,49

1,41

1,54

1,56

1,64

1,65

Gambar 5. Karakteristik 1 LED merah (bening)

Tabel 1. Data hasil tegangan LED percobaan I dan II Data Karakterisasi IV (Kurva)

Gambar 6. Karakteristik 1 LED orange (bening).

Gambar 3. Karakteristik 1 LED biru (bening). 3

Gambar 7. Karakteristik 1 LED putih (bening).

Gambar 10. Karakteristik 1 LED selubung merah kecil.

Gambar 8. Karakteristik 1 LED selubung hijau.

Gambar 11. Karakteristik 1 LED selubung merah besar.

Gambar grafik di sekitar VTH

Gambar 9. Karakteristik 1 LED selubung kuning Gambar 12. Grafik pengamatan sekitar Vth LED biru bening.

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 2.41 V 4

Gambar 13. Grafik pengamatan sekitar Vth LED hijau bening.

Gambar 16. Grafik pengamatan sekitar Vth LED putih bening.

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.77 V

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 2.52 V

Gambar 14. Grafik pengamatan sekitar Vth LED merah bening.

Gambar 17. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung hijau.

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.5 V

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.65 V

Gambar 15. Grafik pengamatan sekitar Vth LED orange bening.

Gambar 18. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung kuning.

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.58 V

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.56 V 5

16 .6 3.36 3 E-06 23 Pelapis 3.22 .4 kuning E-06 2 Pelapis 16 1.72 merah .3 E-06 besar 5 Pelapis 9. 0.95 22 merah 83 2.51 72 .7 kecil 1 E-05 33 9. 0.18 Putih .3 83 4.31 11 5 7 E-06 Tabel 2. Data Karakterisasi LED Pelapis hijau

Gambar 19. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung merah kecil. Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 1.41 V

36 .8 4 41 0.00 .5 05 3 67 5.00 .2 E-05 2 0.55 11

Dengan

0. 99 9 0. 99 9 0. 14 0. 88 7 0. 99 7

dan

Gambar 20. Grafik pengamatan sekitar Vth LED selubung merah besar. Upper - Lower

Dari hasil pengamatan, diperoleh nilai VTH = 3.83 V

LED

a

Biru

0.54 69

Hijau

0.27 85

Merah

Orange

0.91 72 0.05 393

b 34 .0 5 21 .9 2 41 .4 9 39 .1 9

c 10 .3 2 8. 79 2 19 .6 4 19 .1 4

d 5.40 E-06 3.24 E-05 6.59 E-06 7.61 E-06

r2 0. 99 5 0. 93 3 0. 99 6 0. 99 4 6

LED

a

b

biru

0

inf

-inf

hijau

0

inf

-inf

merah

0

inf

0

orange

0

1000 000

-inf

pelapis hijau

0

1000 000

-inf

pelapis kuning

0

1.00E -03

-inf

i n f i n f i n f i n f i n f i n

f i pelapis 1.00E 0 10000 n merah besar -04 00 f i pelapis 0 inf -inf n merah kecil f i 1000 Putih 0 -inf n 0 f LED c d i biru -inf inf -inf n f i hijau -inf inf -inf n f i merah 1E+ inf 1E+0 n 07 7 f i orange -inf inf -inf n f i pelapis hijau -inf inf -inf n f i pelapis -inf inf -inf n kuning f i pelapis -inf inf n merah besar 10000 f i pelapis -inf inf -inf n merah kecil f i Putih -inf inf -inf n f Tabel 3. Data Upper-Lower LED

2.03 2.03-2.1

Orange 1.684 2.04754441 Pelapis 1.727 2.215273602 1.9-4.0 hijau Pelapis 1.615 1.773270709 2.1-2.18 kuning Pelapis 1.63merah 3.793 4.111314985 2.03 besar Pelapis 1.63merah 1.583 2.30902248 2.03 kecil Putih 2.631 3.390261259 3.5 Tabel 4. Data Tegangan Threshold Tegangan threshold pengamatan didapat dari regresi nilai I dan V masing-masing LED sehingga didapat gradiennya. Vth LED biru : 2.553 V

Vth LED hijau : 1.773 V

Tegangan Threshold

LED Biru Hijau Merah

Vth pengamatan 2.553 1.773 1.667

Vth Perhitungan

Vth referensi Vth LED merah : 1.667 V

3.299418605 2.48-3.7 2.493175614 1.9-4.0 2.112525458 1.637

Vth LED pelapis merah besar : 3.793 V

Vth LED orange : 1.684 V Vth LED pelapis merah kecil : 1.583 V

Vth LED pelapis hijau : 1.727 V Vth LED putih : 2.631 V

Vth LED pelapis kuning : 1.615 V Tegangan threshold perhitungan didapat dari rumus eVth = Eg

Panjang Gelombang

LED Biru 8

λ Pengamatan (nm) 430-

Warna (berdasarkan perhitungan) 376.0735204 biru-putih λ perhitungan (nm)

Hijau Merah Orange

505 550570 630660 605620 550570 585595

dihitung dari konstanta b di tabel fitting sebelumnya dengan mencari nilai T terlebih dahulu dengan menggunakan konstanta c.

497.6881544 hijau-biru 587.365215

kuning

606.0058889

merahorange

Hambatan Dalam

Pelapis 560.122221 hijau hijau Pelapis 699.737476 merah kuning Pelapis 630merah 301.8070799 putih 660 besar Pelapis 630merah 537.3806365 hijau 660 kecil Putih 450 365.9965635 putih Tabel 5. Data Panjang Gelombang LED

LED

Biru Hijau Merah Orange Pelapis hijau Pelapis kuning Pelapis merah 3.30E+03 besar Pelapis merah 1.20E+02 kecil Putih 4.20E+02 Tabel 7. Data Hambatan Dalam LED

Panjang gelombang pengamatan merupakan panjang gelombang dari cahaya yang terlihat saat pengamatan. Panjang gelombang perhitungan dihitung dari rumus E = hc/λ. Dengan E adalah energy foton yang dalam perhitungan LED sama dengan energy gap.

Hambatan dalam didapat dari persamaan 7, dengan meregresi nilai I dan I dV/dI dari masing-masing LED setelah menyala. Nilai Rs merupakan gradient dari hasil plotnya.

Energi Gap

LED

hambatan dalam (ohm) 5.00E+02 5.30E+02 5.00E+02 9.10E+02 2.00E+02 8.30E+02

Nilai dI/dV (gradien): E perhitungan (eV) 3.298 2.492 2.112 2.047 2.214 1.773

E pengamatan (eV) 2.6 2.3 1.8 2 2.3 2.1

Gradien LED biru : 0.002

Biru Hijau Merah Orange Pelapis hijau Pelapis kuning Pelapis merah 4.11 1.8 besar Pelapis merah 2.308 1.8 kecil Putih 3.389 2.756 Tabel 6. Data Energi Gap LED

Gradien LED hijau : 0.0019

E pengamatan merupakan energy yang terlihat dari cahaya yang teramati. E perhitungan merupakan energy yang 9

Gradien LED merah : 0.002

Gradien LED pelapis kuning : 0.0012

Gradien LED orange : 0.0011 Gradien LED pelapis merah besar : 0.00029

Gradien LED pelapis hijau : 0.0051 Gradien LED pelapis merah kecil : 0.0083

10

Rs LED merah : 500 ohm Gradien LED putih : 0.0024

RS LES orange : 910 ohm -

Nilai Rs (gradient)

Rs LED biru : 500 ohm

Rs LED pelapis merah besar : 3300 ohm

Rs LED hijau : 530 ohm

11

Rs LED pelapis merah kecil : 120 ohm

Rs LEDputih : 420 ohm

Rs LED pelapis hijau : 200 ohm IV. Pembahasan Pada percobaan ini digunakan asumsi Eg = eVth , yaitu saat suatu semikonduktor tersebut membawa muatan (elektron/hole) yang sangat besar sehingga band gap energy nya jauh lebih besar dibanding selisih antara ujung pita (konduksi/valensi) dengan energi ferminya. Tegangan threshold adalah tegangan minimum yangdiperlukan supaya LED dapat bekerja. Secara fisis tegangan threshold menyatakan besarnya tegangan yang diperlukan untuk membebaskan elektron melewati band gap. Secara singkat jika tegangan threshold semakin tinggi maka energi band gap dari LED tersebut juga tinggi

Rs LED pelapis kuning : 300 ohm

faktor yang berpengaruh terhadap band gap energy adalah jumlah konsentrasi pembawa, muatan elektron, lebaar band gap dimana bergantung pada 12

resistifistik bahan semikonduktor tersebut, serta band gap energy juga dipegaruhi oleh temperatur , dimana agitasi terhadap suhu dapat mempengaruhi aktifitas elektron yang ada dalam bahan semikonduktornya. Suhu akan mempengaruhi kelengkungan dari kurva karakteristik LED. Jika suhu dinaikkan, maka tegangan threshold berkurang tetapi arus penjenuhan bertambah dan kelengkungan kurva karakteristik pun bertambah. Selain itu kenaikan suhu menaikkan juga esitasitermik, sehingga rapat elektron intrinsik juga bertambah. Pada semikonduktor dikenal dua macam arus, yaitu arus drift dan arus difusi. Arus drif adalah arus yang ditimbulkan oleh mengalirnya muatanmuatan yang disebabkan oleh perbedaan potensial. Contohnya adalah arus yang terjadi pada bahan resistif yang dipasang pada suatu tegangan listrik. Arus difusi adalah arus yang tidak disebabkan oleh adanya perbedaan tegangan, melainkan akibat gerak random dari pertikel-partikel bermuatan yang disebabkan oleh energi panas. Contohnya adalah elektron mengalir dari Pendahuluan Fisika Zat Padat (Kristal Semikonduktor) suatu tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai dicapainya suatu keseimbangan. Untuk melakukan regresi linier, cukup mengambil beberapa data saja ketika kurva telah linier, karena pada saat linier telah terjadi batas minimum tegangan untuk LED dan telah menjadi konstan. Pada percobaan kali ini digunakan hambatan seri . asumsi yang digunakan saat arus mulai linier adalah pada saat linier telah terjadi batas minimum tegangan untuk LED dan telah menjadi konstan. LED putih dapat dengan menggabungkan warna merah, biru,dan hijau (multi-color LED) dan menggunakan senyawa fosfor. Cara lain dengan memerlukan suatu perangkat elektronik untuk mengatur proses

pencampuran dan difusi dari berbagai warna. Metode ini juga dapat digunakan untuk mendapatkan warna-warna lain. Selain itu, metode ini memiliki efisiensi kuantum yang lebih baik dalam menghasilkan cahaya putih.cara lain adalah dengan melapisi LED dengan fosfor (biasnya LED dengan cahaya biru). Prinsipnya adalah memperpanjang panjang gelombang cahaya biru. Jenis atau warna fosfor yang digunakan bergantung pada LED yang digunakan dan penggunaan bebrapalapis fosfor yang berbeda warna dapat memperluas spectrum sehingg amempermudah mendapatkan cahaya putih. LED infra merah merupakan LED yangmemancarkan sperktum cahaya infra merah. LED infrared biasanya berbahan dasar indirect band gap material sehingga tidak menghasilkan cahaya tampak. Disebut indirect karena photon tidak dapat diemisikan. Hal ini disebabkan oleh elektron harus melewati keadaan intermediet dan mentransfer momentum kepada suatu struktur kristal.Untuk mendapatkan spektrum cahaya inframerah bahan penyusun yang digunakan untuk membuat LED yaitu Galium Arsenide (GaAs) atau aluminium Galium Arsenide (AlGaAs). Karakteristik dari LED infra merah ini yaitu lifetime yang lama, memerlukan daya yang kecil, tidak mudah over heat , dan bisa digunakan dalam jarak yang cukup jauh karena pemancarannya yang menyempit. Penggunaan dari LED infra merah ini biasa dipakai sebagai remote control jarak jauh.

V. Simpulan Sifat dan Karakteristik dari LED dapat diidentifikasi menggunakan I-V meter dengan melihat arus dan tegangan LED . 13

Setiap LED memiliki tegangan threshold yang berbanding terbalik dengan panjang gelombang yang dihasilkan LED Nilai tegangan threshold akan bergantung pada energi band gap LED nya.

VI. Pustaka [1] Sutrisno. Elektronika Teori danPenerapannya. Bandung: Penerbit ITB.1986. H. 81-85 [2] Hartono, Sabda. Merancang Lampu LED. Available : http://www.gemarelektronika.com/merancang-lampuled.html?showall=1, [3]http://lionel08upi.files.wordpress.com/ 2010/12/makalah-padat-kristalsemikonduktor-kelompok-3.pdf

14