Uji Kekerasan Material dengan Metode Rockwell 1
Ika Wahyuni, 2Ahmad Barkati Rojul, 3Erlin Nasocha, 4Nindia Fauzia Rosyi, 5Nurul Khusnia, 6Oktaviana Retna Ningsih
Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Abstrak
Pada eksperimen ini telah diuji sebuah material berjenis semikonduktor yang kemudian dimasukkan didalam sebuah medan magnetik tertentu tegak lurus terhadap materialnya dan kemudian akan diketahui sifat listrik dan termalnya berdasarkan elektron – elektron yang meresponi interaksi ini dan interaksi elektron – elektron didalam suatu semikonduktor akibat dari pemberian medan magnetik tegak lurus disebut efek hall. Ada dua material semikonduktor yang digunakan pada eksperimen ini yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Persamaan regresi yang didapat untuk bahan intrinsik dan ekstrinsik berturut-turut adalah y = 597,96x – 78,363 dan y = 47,437x -55,587. Dari hasil eksperimen ini didapatkan nilai dari masing-masing plat, adapun untuk n-Germanium (semikonduktor intrinsik) diperoleh nilai , dan untuk npnGermanium (semikonduktor ekstrinsik) diperoleh nilai, ,
Kata kunci: Efek Hall, Semikonduktor
I.
Pendahuluan
Ciri fisik utama bahan semikonduktor yaitu mempunyai nilai tahanan jenis (konduktivitas) antara 10-5 – 105 ohmmeter. Tahanan jenis semikonduktor sangat dipengaruhi oleh ketidakmurnian kimiawi di dalamnya, cahaya yang menyinarinya, medan listrik, dan medan induksi magnetik. Pada semikonduktor terdapat dua macam pembawa muatan. Elektron
bebas sebagai pembawa muatan negatif dan hole atau lubang sebagai pembawa muatan positif. Elektron pada semikonduktor terikat pada inti atomnya, akan tetapi tidak sekuat pada bahan isolator. Dilihat dari bahan penyusunnya, semikonduktor dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang masih murni atau 1
belum dicampuri dengan unsur lain ketika proses pembuatannya, sehingga atom-atomnya masih murni satu unsur saja. Pada 0 K pita valensinya penuh, pita konduksi kosong sehingga bersifat isolator. Pada suhu yang lebih tinggi misal pada suhu kamar ada elektron pada pita 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 ini disebut dengan hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan elektron. Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor intrinsik yang mendapatkan pengotoran (dopping) atom-atom asing. Konsentrasi pengotoran ini sangat kecil, dengan perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom aslinya berkisar antara 1:100 juta sampai dengan 1:1 juta. Tujuan pengotoran ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis muatan saja, elektron bebas apa hole saja. Dan juga ditujukan agar mempunyai daya hantar listrik lebih besar daripada semikonduktor intrinsik. Salah satu contoh dari semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe npn. Tipe npn merupakan semikonduktor intrinsic yang telah dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti As, Ph dan P. Adapun yang lain adalah semikonduktor n yaitu semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom
asing yang bervalensi 3 seperti Al atau Ga. Besaran karakteristik pada bahan semikonduktor dapat diidentifikasi salah satunya dengan uji efek hall. Efek hall adalah gaya yang disebabkan oleh gaya pembawa muatan dimana pembawa muatan positif (hole) dan pembawa muatan negatif (elektron) akan cenderung mengarah ke kanan ketika pembawa muatan ini hanyut di sepanjang plat logam atau semikonduktor. Hal ini lah yang menyebkan terjadinya beda potensial kecil (mV). Uji efek hall untuk menentukan besar koefisien hall dari bahan semikonduktor tersebut. Koefisien hall dapat digunakan untuk menghitung nilai – jilai besaran fisis karakter dari semikonduktor sehingga dapat digunakan sebagai pembanding antara konduktor satu dengan yang lainnya. II. Tujuan Eksperimen yang akan dilakukan ditujukan untuk mempelajari besaran karakteristik dari suatu bahan semikonduktor melalui penentuan kuantitas – kuantitas fisis bahan yait Koefisien Hall RH, Resistivitas dan pembawa muatan p atau n (Hole atau Electron).
III. Dasar Teori Jika suatu medan magnetik B diletakkan tegak lurus pada suatu pelat 2
logam (konduktor atau semikonduktor) dengan cara menempatkan pelat tersebut diantara muka –muka kutub sebuah elektromagnet. Medan ini akan mengarahkan gaya pembelok F pada pelat sebagaimana dirumuskan didalam persamaan Gaya Lorentz
(⃗
Berdasarkan Efek Hall tersebut informasi yang kita dapatkan adalah karakteristik suatu bahan tertentu. Karakteristik tertentu itu adalah Koefisien Hall, Resistivitas dan kemudian pembawa muatan p atau n jika bahan tersebut adalah semikonduktor. Untuk menentukan karakteristik – karakteristik tersebut, kita dapat menggunakan formulasi – formulasi berikut ini :
⃗⃗)
yang menunjuk ke arah kanan seperti pada gambar dibawah ini :
( )
𝐵
𝑣 𝑤 𝐿
Oleh karena gaya yang mengarah ke samping pada pelat tersebut disebabkan oleh gaya pembawa muatan yaitu :
(⃗
⃗⃗)
Pembawa – pembawa muatan positif (hole) atau negatif (elektron) akan cenderung mengarah ke kanan ketika pembawa muatan ini hanyut (drift) sepanjang pelat logam. Hal inilah yang menyebabkan beda – beda potensial kecil V diantara sumbu x dan y. Secara keseluruhan fenomena ini lebih dikenal dengan sebutan Hall Effect.
Dimana e, j dan E serta B besaran – besar fundamental (lihat besar dan satuan) dan l, w serta t adalah dimensi volume dari sampel (t x l x w). IV. Alat dan Bahan Esperimen 1. Modul Hall 2. Multimeter 3. Plat Germanium tipe n dan npn 4. Power Supply V. Prosedur Eksperimen Eksperimen efek hall kali ini bahan sampel yang digunakan adalah germanium tipe n yang biasa disebut dengan semikonduktor intrinsik (murni) sedangkan germanium tipe npn biasa disebut dengan
3
semikonduktor ekstrinsik (tak murni) karena terdiri dari Ge dan Si. Percobaan kali ini dilakukan dengan cara menyambungkan multimeter dengan soket pada modul hall. Sebelumnya pada modul hall terlebih dahulu diamasuki papan sampel yaitu germanium tipe n. kemudian dilanjutkan dengan mengeset suhu menjadi suhu ruang. Setelah itu atur arus untuk diukur berulang mulai dari 30 mA sampai 30 mA. Kemudian baca tegangan dari masing-masing arus pada multimeter. Setelah selesai, ulangi langkahlangkah percobaan kembali dengan bahan sampel yang berbeda yakni germanium tipe npn (ekstrinsik).
9 11 13 15 B.
5495 6818 7528 8582
Semikonduktor Ekstrinsik I (mA) -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
UH (mV) -1456.73 -1230.8 -1037.5 -771.6 -551.6 -284.1 -84.7 200.8 449.6 667.2 913 1115 1348.8
VI. DATA EKSPERIMEN Berikut ini adalah hasil pengamatan hubungan antara tegangan Hall dengan arus listrik bahan untuk semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik A. Semikonduktor Intrinsik I (mA) -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7
UH (mV) -8669 -7516 -6719 -5823 -4483 -3482.9 -2311.9 -1072.4 1365.9 2163.8 2316.9 4553.8
Analisis Data (Terlampir) VII. Pembahasan Eksperimen efek Hall ini bertujuan untuk mempelajari besaran karakteristik suatu bahan semikonduktor melalui penentuan kuantitas-kuantitas fisis bahan yaitu koefisien Hall, resistivity dan pembawa muatan p dan n (hole dan elektron). Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara insulator (isolator) dan konduktor. Semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu pada temperatur, arus tertentu, tatacara 4
tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Apabila kita mengenakan medan elektrik pada sebuah semikonduktor, elektron-elektron dalam pita konduksinya akan mencoba bergerak menurut arah berlawanan medan, yang dengan demikian memberikan arus elektrik. Elektron-elektron dalam pita valensi juga mencoba bergerak menurut arah berlawanan medan, tetapi untuk melakukannya, setiap elektron harus berpindah dari satu keadaan terisi ke salah satu keadaan kosong pita valensi yang sedikit. Sewaktu medan elektrik menarik elektron-elektron ke salah satu ujung bahan, semua kekosongan akhirnya akan terpusatkan pada ujung lainnya. Kekosongan ini disebut lubang (hole). Dengan demikian, arus dalam semikonduktor terdiri atas dua bagian, yaitu aliran elektron bermuatan negatif dalam pita konduksi dan aliran lubang bermuatan positif dalam pita valensi. Bahan semikonduktor yang digunakan pada ekperimen ini adalah semikonduktor intrinsic dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik adalah bahan semikonduktor murni (belum diberi campuran / pengotoran) dimana jumlah elektron bebas dan holenya adalah sama sehingga memungkinkan perpindahan muatan. Perpindahan muatan pada
umumnya terjadi karena dua sebab yaitu : karena adanya perpindahan elektron bebas dan karena adanya perpindahan hole (lubang), keduaduanya bisa terjadi bersama-sama. Sedangkan semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping), dengan pemberian doping ini dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan mampu menghantarkan listrik yang baik. Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Pada semikonduktor ekstrinsik pembawa muatan hanyalah salah satu yang dominan baik elektron pada pita konduksi maupun hole pada pita valensi. Jika yang paling dominan pembawa muatannya elektron maka disebut tipe n, sedangkan jika pembawa muatan yang paling dominan hole maka termasuk tipe p. Data hasil pengamatan yang diperoleh yaitu perubahan tegangan hall yang disebabkan oleh variasi arus yang diberikan.
Berdasarkan
grafik,
tegangan hall yang dihasilkan semakin lama semakin tinggi tegangan dan berbanding lurus dengan kenaikan arus. Hal ini disebabkan karena hole yang
bermuatan
positif
bergerak
searah dengan elektron mengalami
5
gaya magnet yang berbeda, sehingga tidak terkumpul disalah satu sisi bahan semikonduktor. Akibatnya semakin
sebesar dan dengan resistivitas sebesar dan pembawa muatan sebesar
tinggi arus dan medan magnet yang diberikan maka tegangan hall yang dihasilkan juga akan semakin tinggi. Hal ini dapat terlihat dari grafik yang semakin naik. Setelah itu kami menganalisis data tersebut dengan persamaan regresi linier.
Berdasarkan
data
tersebut
didapatkan persamaan regresi linier untuk bahan intrinsik yaitu y = 597,96x – 78,363. Sedangkan untuk bahan ekstrinsik yaitu y = 47,437x 55,587. Dari regresi tersebut diperoleh gradient garis dari masing masing bahan semikonduktor. Dengan adanya nilai gradien kami dapat menentukan koefisien
hall,
resistivitas
dan
pembawa muatan. Berdasarkan eksperimen yang dilakukan untuk masing – masing semikonduktor diperoleh bahwa semikonduktor intrinsik yang diuji memiliki koefisien Hall RH sebesar dengan resistivitas sebesar dan pembawa muatan sebanyak dan untuk semikonduktor ekstrinsik yang diuji memiliki memiliki koefisien Hall
Nilai negatif yang diperoleh dari koefisien Hall dapat diartikan elemen Hall mengambil muatan negatif diatas permukaan bahan. Sedangkan nilai n bernilai negatif karena bahan pembawa muatan pada logam adalah elektron yang bermuatan negatif. Didalam medan magnetik 400 mT, koefisien hall untuk semikonduktor intrinsik lebih kecil dibandingkan dengan semikonduktor ekstrinsik sehingga resistivitasnya akan lebih kecil dari semikonduktor intrinsik dan disini RH seperti menyatakan karakteristik suatu bahan atau material semikonduktor. Untuk nilai RH yang kecil disini akan memberikan pembawa muatan yang jauh lebih banyak daripada yang memiliki RH besar sehingga disini pembawa muatan terbesar adalah semikonduktor intrinsik. Pembawa muatan yang besar artinya material ini dapat membawa berapa satuan volume muatan yang ditimbulkan dari reaksi terhadap medan magnetik. Semakin banyak muatan yang dibawa maka akan terjadi drift semakin banyak sehingga membuat daya hantarnya berkurang oleh karena itu semikonduktor intrinsik juga memiliki resistivitas
6
yang lebih rendah dibandingkan semikonduktor ekstrinsik. VIII. Kesimpulan Berdasarkan eksperimen yang dilakukan untuk masing – masing semikonduktor diperoleh bahwa semikonduktor intrinsik yang diuji memiliki koefisien Hall RH sebesar dengan resistivitas sebesar dan pembawa muatan sebanyak dan untuk semikonduktor ekstrinsik yang diuji memiliki memiliki koefisien Hall sebesar dan dengan resistivitas sebesar dan pembawa muatan sebesar
IX. Daftar Pustaka 1. E-Book of Tipler, PA. Physics For Sccientist and Engineers. 2. Purba, Michael. 2008. Kimia : Bagian Kimia Unsur (Karakteristik Semikonduktor). Penerbit Erlangga : Jakarta. 3. Tim KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Fisika Eksperimental Lanjut (Bagian Fisika Material). Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga.
7
