MODUL 7 KARAKTERISASI LED OLEH I-V METER

Andik Yumantoro, Rahmat Fathoni, Ali Akbar, Elisabeth Medina Dewi Saraswati 10212100, 10212075, 10212099, 10212028

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email: andik.yumantoro@students.itb.ac.id

Asisten : Tommy Ikhlasul Amal / 10211095

Tanggal Praktikum: 18 November 2014

Abstrak

LED (Light Emiting Diode) adalah suatu komponen elektronika yang tersusun dari gabungan bahansemikonduktor yang dapat memancarkan cahaya. LED memiliki karakteristik yang dapat diamati olehI-V meter. Karakteristik LED yang dapat diamati dengan I-V meter diantaranya perubahan arusterhadap tegangan, energi Band Gap, tegangan Threshold, maupun panjang gelombang cahaya yangdipancarkan. Alat yag 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 diolahdengan membadingkan hasil perhitungan dengan data referensi yang ada, maka dapat dibandingkan jenis wana dan energi band gap LED hasil pengamatan denganhasil 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 Praktikum kali ini bertujuan untuk

menentukan karakteristik LED dengan menggunakan I-V meter, menentukan warna LED dengan menghitung tegangan threshold dan panjjang gelombang. Menentukan parasitic resistence dari LED, dan menentukan jenis bahan penyusun LED dengan menghitung band gap energi.

Pada percobaan ini, di gunakan I-V meter untuk melakukan karakterisasi pada LED. I-V meter merupakan suatu alat yang di gunakan untuk mengukur karakteristik arus-tegangan. Pada percobaan ini di gunakan I-V meter Elkahfi 100. Alat ini terdiri dari sumber tegangan dan pikoampermeter. Gambar panel depan pada I-V meter Elkahfi 100 dapat di lihat pada gambar 1.

LED merupakan suatu device yang terdiri dari semiconductor tipe p-n junction yang dapat melepaskan foton. Pada LED terjadi rekombinasi electron dan hole. Ada dua jenis rekombinasi electron dan hole,yaitu radiative dan iradiativ rekombinasi. Pada radiative rekombinasi terdapat foton yang di lepaskan pada proses rekombinasi tersebut,sedangkan

pada rekombinasi iradiativ, energy di lepaskan dalam bentuk fonon.

Gambar 1.panel depan I-V meter Elkahfi 100

Pada dasarnya LED adalah diode yang mengimiskan cahaya. Karakteristik dari LED sama seperti pada diode. LED memiliki threshold voltage tertentu. Threshold voltage merupakan tegangan dimana LED mulai bekerja atau mengimisikan cahaya atau bias juga suatu keadaan dimana nilai arus mulai naik secara signifikan. Seperti pada diode pada umumnya LED juga

terdapat kondisi forwar bias, reverse bias dan zero bias. Kondisi forwar bias terjadi ketika tegangan pada semikonduktor tipe-p lebih besar daripada tegangan pada kaki semikonduktor tipe-n. pada kondisi ini electron yang di injeksikan dari luar LED dapat mengalir melalui lapisan deplesi yang terbentuk pada p-n unction. Lapisan deplesi terbentuk akibat adanya pertukaran electron-hole di p-n junction. Akibatnya muncul medan listrik pada p-n junction yang mampu menggerakkn electron yang melalui tipe-p ke tipe-n semiconductor. Pada proses reverse bias terjadi sebaliknya. Nilai tegangan pada semikonduktor tipe n lebih besar dibandingkan dengan nilai tegangan yang ada pada kaki semikonduktor tipe-p. Hal ini menyebabkan lapisan deplesi pada p-n junction semakin lebar. Aliran electron pada reverse bias berbalik dengan aliran electron pada saat forward bias,sehinggga electron tidak dapat mengalir pada p-n junction sampai terjadi breakdown pada LED.

II. Metode Percobaan

Hal pertama yang di laukan dlaam percobaan ini adalah menentukan tegangan kerja dari Geiger counter. Nyalakan Geiger counter dengan menekan tombol on/off. Tekan tombol select dan pilih bagian Geiger-Muller voltage hingga lampunya berkelap-kelip dan tekan enter unutk memasukkan nilai tegangan. Input nilai tegangan dengan cara memutar-mutar knop regulator dari Geiger counter. Lakukan percobaan dengan input tegangan 350 V-600 V,dengan interval 10 V. tekan tombol enter jika sudah memasukkan nilai tegangan yang di inginkan. Tekan tombol select,piloh bagian gate hingga lampunya berkelap-kelip,kemudian tekan tombol

enter. Tekan kembali tombol select untuk memasukkan waktu pencacahan yang di kehendaki(10 s),kemudian tekan tombol enter,sehingga lampu pada bagaian continuous berkelap-kelip. Tekan kembali tombol select hingga lampu pada bagian continuous padam,kemudiaan tekan tombol start untuk mulai melakukan pencacahan. Pencacahan selesai ketika lampu pada gate menyala secara kontinu dan catat nilai cacahan yang tertera. Setelah selesai melakukan pencacahan buatlah grafik jumlah cacahan-tegangan. Cari tiga titik tegangan yang memiliki gradient yang landau,kemudian rata rata nilai tegangan untuk mendapatkan nilai tegangan kerja dari Geiger counter.

Percobaan kedua adalah untuk menentukan distribusi dari statistika radioaktivitas dari isotope Cs-137.

Tekan select dan pilih bagian Geiger counter voltage,masukkan nilai tegangan kerja yang di dapatkan pada percobaan pertama. Tekan tombol select,pilih bagian gate hingga lampunya berkelap-kelip,kemudian tekan tombol enter. Tekan lagi tombol select untuk memasukkan watu pencacahan(10 s),kemudian tekan tombol enter sehingga lampu pada bagian continues berkelap-kelip. Tekan lagi tombol select hingga lampu pada bagian continues padam. Tekan tombil start unutuk mulai mencacah. Pencacahan selesai ketika lampu pada gate menyala secara kontinu. Catat jumlah cacahan yang di hasilkan. Ulangi langkag-langkah tersebut untuk setiap pencacahan. Lakukan pencacahan menggunakan waktu pencacahan 1o s sebanyak 100 kali dan 50 kali. Setelah itu lakukan pencacahan 25 kali dengan waktu cacahan 1 s dan cacahan 25(t=10 s) kali tanpa menggunakan bahan radioaktiv dengan kata lain melepas isotope Cs-137 yang di gunakan dari rangkaian percobaan.

Catat hasil pencacahan yang di dapatkan dari percobaan-percobaan tersebut.

III. Data dan Pengolahan a. Warna LED

No Warna LED Warna nyala

1 Putih Biru

2 Putih bening

Putih

3 Bening Hijjau

4 Bening Merah

5 Kuning Kuning

6 Orange Orange

7 Hijau Hijau

8 Merah Merah Table 1. warna LED dan warna nyala

b. Grafik karakterisasi LED

Grafik 1. Grafik karakterisasi LED biru-bening.

Grafik 2. Grafik karakterisasi LED hijau.

Grafik 3. Grafik karakterissi LED hijjau-bening.

Grafik 4. Grafik karakterisasi LED kuning.

Grafik 5. Grafik karakterisasi LED merah.

Grafik 6. Grafik karakterisasi LED merah-bening

Gafik 7. Grafik karakterisasi LED orange.

Grafik 8. Grafik karakterisasi LED putih-bening.

c. Data konstanta fitting

No

LED a b c d R2

1 Biru-bening

0.4387

22.97

6.417

2.108e-05

0.9279

2 Hijau 0.9597

22.1 8.263

2.676e-05

0.9014

3 Hijau-bening

0.8407

17.28

4.319

4.025e-05

0.9305

4 kuning 0.7537

23.85

9.498

1.909e-05

0.9073

5 Merah 0.5285

25.07

10.41

8.903e-06

0.9484

6 Merah-bening

0.1361

31.78

14.61

5.279e-06

0.9975

7 Orange

0.1839

32.63

16.13

4.298e-06

0.9968

8 Putih-bening

0.09645

30.88

9.728

7.301e-06

0.9914

Table 2. Data konstanta fitting

d. Grafik bagian linier

Grafik 9. Grafik bagian linier biru bening.

Grafik 10. Grafik bagian linier hijau.

Grafik 11. Grafik bagian linier hijau-bening.

Grafik 12. Grafik bagian linier kuning.

Grafik 13. Grafik bagian linier merah.

Grafik 14. Grafik bagian linier merah-bening.

Grafik 15. Grafik bagian linier orange.

Grafik 16. Grafik bagian linier putih-bening.

e. Konstanta grafik bagian linier

No Warna LED

m p R2

1 Biru-bening

0.01441

-0.0361 0.9759

2 Hiau 0.0186 -0.03317 0.9698

3 Hijau-bening

0.009767

-0.02297 0.9716

4 Kuning 0.02511

-0.04452 0.9573

5 Merah 0.02405

-0.04245 0.9722

6 Merah-bening

0.01952

-0.03467 0.9677

7 Orange

0.0234 -0.03864 0.9886

8 Putih-bening

0.01286

-0.03357 0.9879

Table 3. Data konstanta grafik bagian linier.

f. Tegangan Threshold

No Warna LED

Vth pengamatan

Vth perhitungan

Vth referensi

1 Biru-bening

2.23 2.50

2 Hiau 1.62 1.78

3 Hijau-bening

1.88 2.35

4 Kuning 1.53 1.77

5 Merah 1.58 1.76

6 Merah-bening

1.50 1.78

7 Orange

1.48 1.65

8 Putih-bening

2.30 2.61

Table 4. Data tegangan threshold.

Dari grafik linier di dapatkan persamaan 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑝. Tegangan threshold di dapatkan ketika y=0,maka x merupakan tegang thresholdnya.

𝑥 = −𝑝𝑚⁄

g. Energy Gap

No Warna LED

Eg pengamtan(eV)

Eg perhitungan(eV)

Eg referensi(eV)

1 Biru-bening

3.568 5.727286894

3.3

2 Hijau 2.592 4.279317439

2.26

3 Hijau-bening

3.008 6.401481824

2.26

4 Kuning 2.448 4.017687934

2.11

5 Merah 2.528 3.85321806

1.91

6 Merah-bening

2.4 3.480355921

1.91

7 Orange

2.368 3.236701798

8 Putih-bening

3.68 5.078947368

2.82

Table 5. Table data Energi gap. 𝐸𝑔𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛

= 𝑒𝑉𝑡ℎ𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛

𝐸𝑔𝑝𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛= 𝑏𝑘𝑇 =

𝑒𝑏

𝑐

h. Panjang Gelombang

No λpengamatan(nm)

λperhitungan(nm)

λreferensi(nm)

Error pengamatan

Error perhitungan

1 347.73

216.63

466 25.58%

53.51%

2 478.66

289.93

517.5

7.5%

43.97%

3 412.47

193.81

517.5

20.29%

62.54%

4 506.82

308.81

590 14.98%

47.65%

5 490.78

321.99

623 21.22%

48.31%

6 516.96

356.49

623 17.02%

42.78%

7 523.94

383.32

605 13.39%

36.64%

8 337.15

244.28

Table 6. data panjang gelombang. Urutan LED sama dengan table 1-5.

𝜆𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛 =ℎ𝑐

𝐸𝑔𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛

𝜆𝑝𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 =ℎ𝑐

𝐸𝑔𝑝𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛

i. Hambatan LED

Grafik 17. Grafik R biru-bening.

Grafik 18. Grafik R hijau.

Grafik 19. Grafik R hiau-bening.

Grafik 20. Grafik R kuning.

Grafik 21. Grafik R merah.

Grafik 22. Grafik R merah-bening.

Grafik 23. Grafik R orange.

Grafik 24. Grafik R putih-bening.

No R kT/e

1 70.81 1.654E-006

2 53.264 2.9059E-005

3 102.38 2.5935E-005

4 39.827 1.7793E-006

5 41.53 1.4341E-005

6 51.243 2.8028E-006

7 42.705 4.9445E-006

8 77.639 2.2645E-005 Table 7. Data R LED. Urutan R dan kT/e sama dengan 1-5.

IV. Analisis Tabel 4,5, dan 6 menunjukkan data

tentang tegangan threshold, panjang gelombang dan energy gap dari LED yang di gunakan dalam percobaan ini. Pda tabel-tabel tersebut terdapat perbedaan Antara nilai pengamatan,perhitungan dan referensi. Perbedaan ini di akibatkan oleh kurang akuratnya dalam melakukan pengamatan dan pada suatu kondisi tertentu persamaan-persamaan yang di gunakan dalam melakukan perhitungan tidak berlaku. Selain itu,warna LED dan bungkusnya juga belum tentu sama,contohnya pada LED yang memiliki pembungkus merah pekat.

Gambar 2. Gambar pita energy Pada gambar 2 di atas.persamaan

energinya dapat di tuliskan. 𝑒𝑉𝐷 − 𝐸𝑔 + (𝐸𝐹 − 𝐸𝑉) + (𝐸𝐶 −

𝐸𝐹) = 0 (1) Pada material semiconductor yang

di doping dengan konsentrasi pengotor yang cukup tinggi maka separasi antara energy Fermi dengan ujung-ujung pita energy sangatlah kecil,sehingga suku-suku dalam kurung yang terdapat pada persamaan energy pada gambar 2 dapat di anggap sangat kecil,sehingga nilai dari energy gap dapat di dekati dengan persamaan 𝐸𝑔 ≈ 𝑒𝑉𝑡ℎ.

(𝐸𝐹 − 𝐸𝑉) = −𝑘𝑇 ln𝑝

𝑁𝑉(2)

(𝐸𝐶 − 𝐸𝐹) = −𝑘𝑇 ln𝑛

𝑁𝐶(3)

Persamaan 1,2,dan 3 di atas

menunjukkan bahwa konsentrasi pengotor

dan jumlah electron dan hole pada p-n semikonduktor sangat mempengaruhi nilai energy gap pada bahan semikonduktor tersebut.

Arus difus adalah arus yang muncul pada saat terjadi rekombinasi hole dan electron. Arus drift adalah arus yang muncul pada daerah deplesi pada saat terjadi biasing pada p-n junction. Rekombinasi merupakan proses pertukaran antara hole dan electron pada suatu keadaan tertentu di p-n junction.

Adanya hambatan seri dan parallel menyebabkan munculnya sub-threshold voltage.

Gambar kurva di atas

menunjukkan adanya subthreshold voltage akibat dari adanya hambatan seri dan parallel. Kalau di lihat dari grafik hasil eksperimen,hambatan yang di gunakan adalah parallel.

Cara untuk membuat LED putih yaitu dengan menggunakan phosphor(uv-pumped), mencampur warna-warna yang lain,dan white LED based on semiconductor converters.

LED inframerah merupakan LED yang memancarkan spectrum cahaya inframerah.LED inframerah berbahan dasar indirect band gap material sehingga tidak menghasilkan cahaya tampak. Karakter dari LED adalah memiliki life time yang lama,tidak mudah overheat,dan aman terhadap hamburan di udara,sehingga bias di gunakan dalam jarak yang jauh. Penggunaan LED infra merah dapat di temukan pada remote TV,transfer data dengan infra red,dan pada beberapa radar.

V. Simpulan Karakteristik dari LED

dapat di tunjukkan dengan grafik I-V pada pengolahan data di atas.

Nilai tegangan threshold bergantung energy gap bahan dan sebaliknya.

Setiap LED memiliki tegangan threshold yang berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya.

VI. Pustaka [1] Knoll,F.Glenn.2000. Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons. Newyork. [2]Schuber, E.Fred.2006. Light Emitting Diode 2nd edition. Cambridge Unniversity Press. Newyork.