14
TUGAS STRUKTUR ELEKTRONIK ZAT PADAT KELOMPOK 4 BAND GAP ENERGY IN SILICON Anggota Kelompok: Nendra Patmana P Rahmat Gianto Yohana Purwidiyani S Nepi Litna L Idang P H1E009003 H1E009008 H1E009026 H1E009027 H1E009035 H1E009036 KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

terjemahan & ringkasan jurnal

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: terjemahan & ringkasan jurnal

TUGAS STRUKTUR ELEKTRONIK ZAT PADAT

KELOMPOK 4

BAND GAP ENERGY IN SILICON

Anggota Kelompok:

Nendra Patmana P

Rahmat Gianto

Yohana

Purwidiyani S

Nepi Litna L

Idang P

H1E009003

H1E009008

H1E009026

H1E009027

H1E009035

H1E009036

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAANUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK2013

Page 2: terjemahan & ringkasan jurnal

Terjemahan Jurnal

PITA ENERGI GAP DALAM SILIKON

Jeremy J. Low, Michael L. Kreider, Drew P. Pulsifer

Andrew S. Jones dan Tariq H. Gilani

Departemen Fisika

Millersville University

P. O. Kotak 1002

Millersville, Pennsylvania 17551 USA

ABSTRAK

Pita energi gap Eg dalam silikon ditemukan dengan memanfaatkan hubungan linear antara

suhu dan tegangan untuk arus konstan dengan suhu antara 275 K - 333 K. Dalam ketelitian

percobaan kami, hasil yang diperoleh baik dengan nilai energi gap yang dikenal dalam

silikon. Ketergantungan suhu dari Eg untuk silikon juga telah dipelajari.

PENDAHULUAN

Mempelajari tentang struktur celah pita semikonduktor penting karena secara langsung

berkaitan dengan sifat elektronik. Sebagai akibatnya, telah menarik minat yang cukup besar

bagi mahasiswa tingkat akhir. Beberapa metode yang berbeda telah dibahas untuk

menentukan pita energi gap semikonduktor. Sebuah dioda juga digunakan sebagai sensor

suhu, dimana hubungan linear antara suhu T, dan tegangan melintasi persimpangan p-n

junction, V dimanfaatkan.

Telah terbukti bahwa dengan penyederhanaan tertentu, hubungan untuk dioda dapat ditulis

sebagai berikut

dimana e adalah muatan elektron, k adalah konstanta Boltzmann, Eg adalah energi pita gap

dan C merupakan fungsi dari I, arus melalui dioda. Oleh karena itu, jika I tetap konstan,

maka

Page 3: terjemahan & ringkasan jurnal

dimana dan diperoleh,

Oleh karena itu, jika kita menemukan konstanta a dan b dengan percobaan mengukur suhu

dan tegangan dioda, kita bisa menemukan pita energi gap semikonduktor, asalkan tidak

sangat bergantung pada suhu. Untuk silikon, variasi Eg dengan suhu rendah antara 273 K -

335 K.

METODE EKSPERIMENTAL

Gambar 1 (a) menunjukkan diagram skematik dari rangkaian yang digunakan untuk

pengukuran data T-V untuk persimpangan basis-kolektor dari transistor npn (MPS2222AG)

sedangkan Gambar 1 (b) menggambarkan silikon dengan penggunaan dioda (1N914). Arus, I

dijaga konstan menggunakan rangkaian ditampilkan dalam kotak putus-putus pada Gambar 1

(a). Variabel resistor telah disesuaikan untuk memperoleh arus 10 μA. Seluruh lintasan ini

didukung oleh power supply tegangan konstan (Elenco Presisi, Model XP-660), dengan

menjaga tegangan pada sekitar 9 V. Tegangan pn-junction diukur dengan voltmeter digital

(Heath, Model SM2320), sedangkan suhu diukur dengan kalibrasi sensor suhu AD-590.

Kedua dioda dan sensor suhu, dibungkus bersama dalam sebuah foil plastik tipis untuk

melindungi elektriknya. Seluruh sistem ini kemudian ditempatkan dalam campuran air es

yang terionisasi (es juga terbuat dari air ionisasi) untuk mendapatkan suhu 273 K.

Kemudian pembacaan tegangan diambil untuk berbagai suhu sementara sistem dipanaskan

perlahan-lahan. Pengukuran diulang beberapa kali untuk mengurangi kesalahan statistik.

Page 4: terjemahan & ringkasan jurnal

Gambar 1. (a) Transistor MPS2222AG dan (b) Diode 1N914 berada pada variabel suhu.

Transistor MPF102 digunakan sebagai sumber arus konstan. Rangkaian untuk sumber arus

konstan ditunjukkan dalam kotak bertitik. Sumber tegangan bias telah disesuaikan dengan

resistor 100 kΩ untuk mendapatkan arus konstan 10 μA.

HASIL

Kurva T-V untuk silikon transistor p-n (MPS2222AG) antara suhu 273 K-335 K ditunjukkan

pada Gambar 2 (a). Data menunjukkan hubungan linear yang cukup baik antara suhu mutlak

dan tegangan persimpangan pn-junction antara suhu yang dibutuhkan, kecuali suhu di akhir

lebih tinggi (lihat diskusi tersebut). Kami juga menggunakan dioda silikon 1N914 di tempat

transistor (MPS2222AG) dan mengulangi percobaan. Data untuk dioda silikon (1N914)

ditunjukkan pada Gambar 2 (b). Nilai-nilai konstanta a dan b dari persamaan (2) suhu

kuadrat-data diperoleh dari 275 K - 330 K. Kemudian Nilai Eg dihitung dari persamaan (3).

Ketidakpastian dalam hasil yang ditemukan karena perhitungan Eg tergantung pada dua

variabel, a dan b, ketidakpastian Eg ditulis . Kesalahan

fraksional maksimal karena , dimana standar deviasi da dan db dari

kemiringan, a dan y-intercept, b dari garis lurus cocok untuk data T-V, masing-masing.

Page 5: terjemahan & ringkasan jurnal

Untuk persimpangan pn-junction dari transistor MPS2222AG [lihat Gambar 2 (a)], = -

462,17 K/V, = ± 7,95 K/V, = 547,40 K, dan = ± 4,12 K, oleh karena itu antara suhu

273 K - 330 K, nilai dari Eg adalah 1,20 eV dengan ketidakpastian ± 2,47%. Demikian pula

untuk dioda 1N914 [Lihat Gambar 2 (b)], = - 393,538 K/V, = ± 6,3828 K/V, = 454,18

K, dan = ± 2,388 K. Oleh karena itu antara suhu 278 K - 323 K, nilai dari Eg adalah 1.17

eV dengan ketidakpastian sekitar 2,15% ±. Hasilnya diringkas dalam Tabel 1 dan

dibandingkan dengan nilai-nilai kesenjangan energi gap dalam silikon yang diketahui dari

referensi yang berbeda.

Untuk nilai silikon dari Eg yang dikenal dalam ketidakpastian ± 5% dan bervariasi dari 1,13

± 0,057 eV pada 273 K menjadi 1,11 ± 0,056 eV pada 330 K. Oleh karena itu hasil yang

diperoleh sesuai dengan nilai-nilai yang dikenal dalam literatur, meskipun nilai yang

diperoleh di sini cenderung sedikit lebih tinggi (lihat Diskusi).

Kami telah menganalisa lebih lanjut data kami untuk menyelidiki ketergantungan suhu. Garis

lurus diperoleh dengan kuadrat data dalam interval temperatur kecil ± 2,5 K, dengan asumsi

bahwa silikon tetap konstan dalam interval suhu yang kecil. Hasilnya ditunjukkan pada

Gambar 3.

Page 6: terjemahan & ringkasan jurnal

Gambar 2. Grafik Suhut vs tegangan untuk silikon: (a, di atas) pn-junction transistor npn

(MPS2222AG). Kurva T-V nonlinier di atas 330 K. (b, di bawah) diode (1N914). Jalur padat

(tebal) cocok untuk kuadrat data.

Tabel 1. Koefisien regresi linier a dan b diperoleh dari data ukur T-V, dan Eg dihitung.

Terakhir dua kolom adalah nilai-nilai pada suhu tertentu dari Ref. 4 dan Ref. 6, untuk

perbandingan.

PEMBAHASAN

a.Kurva Suhu – Tegangan

Seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 (a) kurva T-V menyimpang dari garis lurus ke sisi

temperatur tinggi (> 330 K). Seperti perilaku kurva non-linear T-V juga diamati pada

Germanium diatas 313 K. Ketika berasal dari persamaan (2) menggunakan Diode persamaan

idealnya

Page 7: terjemahan & ringkasan jurnal

dimana Io adalah saturasi balik saat ini, kita mengasumsikan untuk memperoleh

dari tegangan bias maju 0,4 V, yang diambil pada suhu kamar, kita mendapatkan

sehingga

Oleh karena itu, pendekatan suhu kamar umumnya berada di bawah. Tapi seperti

meningkatkan suhu menurun jangka eksponensial. Hal ini dapat menyebabkan penyimpangan

dari perilaku linier data T-V.

Sebaliknya arus Io sangat bergantung pada suhu. Ini proporsional untuk faktor Boltzmann

dan , dimana γ adalah konstanta. Oleh karena itu,

Berikut ketergantungan dari Io diabaikan kemudian dibandingkan dengan

ketergantungan eksponensial pada T dan dengan demikian

Dimana . Sekarang menggabungkan persamaan (5) dan persamaan (7), kita

mendapatkan

Page 8: terjemahan & ringkasan jurnal

Karena I konstan dalam percobaan, karena itu kita dapat menulis persamaan (1) dimana

b. Nilai Eg

Tetapi jika ketergantungan tidak diabaikan, maka konstanta C tidak lebih konstan dan

akan bergantung pada ln(T). Itu berarti kemiringan dari prcobaan grafik T-V akan lebih kecil

dan karenanya hasil nilai dari Eg di sini diharapkan akan sedikit lebih tinggi untuk silikon

serta untuk germanium di Ref.4 (lihat tabel 1). Juga kontribusi panjang ln(T) akan lebih besar

terhadap suhu yang lebih tinggi dan ini juga dapat berkontribusi dalam perilaku non-linier

data T-V pada suhu yang lebih tinggi.

c. Ketergantungan suhu dari Eg

Jadi karena kita telah mengasumsikan Eg dari silikon adalah suhu independen yang tidak

sepenuhnya benar. Sebagai soal fakta Eg tidak tergantung pada suhu, meskipun lemah seperti

yang dijelaskan oleh fungsi universal dan ditunjukkan pada Gambar. 3 (garis utuh). Untuk

menyelidiki ketergantungan suhu dai Eg, garis lurus yang diperoleh dari data kuadrat terkecil

dalam interval suhu ± 2,5 K, dengan asumsi bahwa Eg silikon tetap konstan dalam interval

suhu yang kecil.

Dalam derivasi dari persamaan (2), dibandingkan dengan ketergantungan

eksponensial suhu. Untuk perubahan temperatur ± 2,5 K ( ) pada suhu kamar,

kontribusi jangka eksponensial hampir sepuluh kali lebih tinggi dari panjang (asumsi

γ = 1 untuk penyederhanaan). Oleh karena itu asumsi ini juga dapat dibenarkan dalam

interval suhu yang rendah.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, ketergantungan suhu Eg di silikon lemah dan

konsisten dengan deskripsi fungsi universal. Nilai yang diperoleh dalam silikon dari

percobaan kami bervariasi dari sekitar 1,18 eV pada 275 K menjadi 1,1 eV pada 335 K. Data

untuk transistor npn (MPS2222AG) menunjukkan puncak kecil dalam Eg diantara suhu

sekitar 290 K - 300 K (lihat Gambar 3). Kami berniat untuk tidak memberikan penjelasan

perilaku pada tahap ini. Perhatikan bahwa data yang lebih tersebar diantara suhu yang lebih

Page 9: terjemahan & ringkasan jurnal

tinggi seperti yang diharapkan dan dijelaskan sebelumnya. Ketergantungan suhu diberikan

oleh fungsi yang diplot bervariasi pada Gambar. 3 untuk perbandingan.

Gambar 3. Ketergantungan suhu dari pita energi gap dalam silikon: pn-junction dari transistor

npn MPS2222AG, Δ dioda 1N914, dan garis yang tebal merupakan fungsi universal yang

diambil dari Ref. 6 untuk perbandingan.

KESIMPULAN

Celah pita energi, Eg dalam silikon dan ketergantungan suhu antara 273 K - 335 K . Pada

suhu 275 K itu ditemukan 1,18 ± 0,03 eV dan bergantung pada suhu. Data menunjukkan

kesesuaian dengan nilai-nilai sebelumnya yang dikenal dalam literatur.

Page 10: terjemahan & ringkasan jurnal

Ringkasan Jurnal

Jurnal yang berjudul Band Gap Energy in Silicon mempelajari tentang struktur energi pita

dengan beberapa metode percobaan yang memvariasikan nilai suhu menggunakan transistor

npn (MPS2222AG) dan dioda (1N914) . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui

celah pita enegi gap dalam silikon dengan membandingan nilai pita energi gap pada referensi.

Berdasarkan tujuan tersebut, mereka menyatakan bahwa metode penelitian yang digunakan

adalah dengan cara mengukur suhu dengan sensor suhu AD-590 dan mengukur tegangan

dengan voltmeter digital (Heath, Model SM2320), kemudian dioda dan sensor suhu

dibungkus bersama dengan foil plastik tipis. Seluruh sistem ini ditempatkan dalam campuran

air es yang terionisasi untuk mendapatkan suhu 273 K. Kemudian pembacaan tegangan

diambil untuk berbagai suhu. Pengukuran diulang beberapa kali untuk mengurangi kesalahan

statistik.

Hasil penelitian ditunjukkan dengan kurva hubungan antara suhu dan tegangan, untuk

mementukan nilai suhu dapat dihitung dengan persamaan

Dimana dan

maka diperoleh nilai Eg dengan menggunakan persamaan

Page 11: terjemahan & ringkasan jurnal

Seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas bahwa untuk silikon transistor nilai suhunya

adalah 273 K - 330 K dengan nilai Eg 1,20 eV, sedangkan untuk silikon dioda nilai suhunya

adalah 278 K - 323 K, nilai dari Eg adalah 1.17 eV. Hasil yang diperoleh akan dibandingkan

dengan nilai referensi. Adapun tabel dari nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut.

Jadi dapat dilihat bahwa hasil yang diperoleh sesuai dengan nilai-nilai yang ada dalam

referensi, meskipun nilai yang diperoleh di sini cenderung sedikit lebih tinggi.