PENGARUH SUHU SUBSTRAT PADA SIFAT-SIFAT LISTRIK BAHAN SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS PbS, PbSe DAN PbTe HASIL PREPARASI DENGAN TEKNIK VAKUM EVAPORASI

Transkripsi

1 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir) 7 PEGARUH SUHU SUBSTRAT PADA SIFAT-SIFAT LISTRIK BAHA SEMIKODUKTOR LAPISA TIPIS PbS, PbSe DA PbTe HASIL PREPARASI DEGA TEKIK VAKUM EVAPORASI SUBSTRATE TEMPERATURE EFFECT O ELECTRICAL PROPERTIES THI LAYER SEMICODUCTOR PbS, PbSe AD PbTe PREPARED BY VACUUM EVAPORATIO TECHIQUE. Oleh: Iim Abdul Mafahir, Tjipto Sujitno Ariswan Mahasiswa Program Studi Fisika FMIPA UY Peneliti, PSTA-BATA Yogyakarta Dosen Program Studi Fisika FMIPA UY iimabdulmafahir@gmail.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan lapisan tipis bahan semikonduktor PbS,PbSe dan PbTe dengan teknik vakum evaporasi dan mengetahui karakterisasi sifat-sifat listrik dari lapisan tipis yang dihasilkan. Proses pembuatan lapisan tipis dilakukan dengan teknik vakum evaporasi. Parameter yang divariasi selama proses preparasi adalah suhu substrat, yaitu tanpa pemanasan substrat (sampel ), 00 (sampel ), (sampel ), (sampel ). Karakterisasi sifat listrik menggunakan four point probe (fpp). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe yang terbentuk merupakan semikonduktor tipe dengan resistivitas dalam orde Ω.cm sampai Ω.cm Kata kunci: lapisan tipis, evaporasi, sifat listrik Abstract This research aims to produce a thin layer of semiconductor with PbS, PbSe and PbTe material by vacuum evaporation techniques and to find out electrical properties of these materials. Thin layer was produced by using vacuum evaporation techniques. Varied temperature of substrate is used as parameters during preparation,ie without heating (sample ), 00 (sample ), 0 (sample ), and 00 (sample ). Electrical properties are characterized by using a four point probe (FPP). Results showed that this thin layer of PbS, PbSe and PbTe is type semiconductor with resistivity in Ω.cm to Ω.cm oreder Keywords: thin layer, evaporation, electrical properties PEDAHULUA Perkembangan teknologi dalam bidang elektronika tumbuh cukup pesat setelah ditemukannya komponen semikonduktor sebagai salah satu penyusunnya. Banyak material bahan semikonduktor yang dapat menjadi piranti elektronik seperti Si dan GaAs namun tergolong mahal dan sulit untuk mendapatkan kristal yang berkualitas tinggi.jenis bahan-bahan dari paduan golongan IV VI sangat berguna dalam mengembangkan teknologi optoelektronik. PbS, PbSe dan PbTe merupakan senyawa kimia yang berupa padatan kristal dengan warna abu-abu. PbS, PbSe dan PbTe merupakan paduan dari dua unsur kimia yaitu Plumbum (Pb) dengan sulfur (S), selenium (Se) dan Tellurium (Te) dengan presentase PbS adalah 86,60% (Pb) dan,0% (S), PbSe adalah 6,08% (Pb) dan,9% (Se) dan PbTe adalah 66,%(Pb) dan,88% (Te). PbS mempunyai struktur kristal kubik dengan lebar pita terlarang sekitar 0,0 ev, titik lebur sebesar 8 C. PbSe mempunyai struktur

2 8 Jurnal Fisika Volume, omor, Tahun 06 kristal kubik dengan lebar pita terlarang sekitar 0,7 ev, titik lebur sebesar 7, C. PbTe mempunyai struktur Kristal kubik pusat muka dengan pita terlarang sekitar 0, ev, titik lebur sebesar 9 C (wwe.webelement.com). Prosedur Pada makalah ini disajikan hasil pembuatan lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe yang dideposisikan pada substrat kaca dengan teknik vakum evaporasi. Kemudian pembuatan lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe jarak sumber ke substrat dibuat tetap sedangkan suhu substrat di variasi, hal ini dimaksudkan agar diperoleh karakteristik lapisan tipis yang optimum. Karakterisasi Lapisan Tipis Oleh karena lapisan tipis yang dibuat ini, kedepannya akan digunakan sebagai bahan detektor inframerah, maka karakterisasi yang paling tepat adalah karakterisasi sifat listrik Dalam penelitian ini, karakterisasi elektrik lapisan tipismenggunakan Four Point Probe (FPP). Dari pengukuran sifat listrik diperoleh informasi mengenai resistivitas, resistansi, ketebalan dan tipe konduksi. ini dimaksudkan untuk mendapatkan suhu yang tekanan uapnya cukup untuk mendesak keluar uap-uap dari bahan sumber.bahan sumber yang telah dievaporasi kemudian bergerak meninggalkan sumber panas dalam bentuk gas. Kemudian terjadi proses pelapisan melalui proses kondensasi pada permukaan substrat Sebagai langkah awal dalam percobaan ini bahan PbS, PbSe dan PbTe yang dievaporasikan adalah seberat 0,0 gram, jarak substrat ke bahan sekitar cm. Kemudian bahan yang berupa serbuk PbS, PbSe dan PbTe tersebut ditempatkan pada cawan / mangkok / boat yang terbuat dari molebdenum atau tantalum yang berada dalam tabung hampa. Setelah itu, tabung dihampakan hingga x mbar. Setelah itu mangkok dialiri listrik dalam orde 0 A. Proses pendeposisian lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe dilakukan untuk berbagai variasi suhu substrat pada suhu kamar, tanpa pemanasan substrat, 00 C, 0 C, dan 00 C. Proses karakterisasi sifat listrik lapisan tipis dilakukan menggunakan probe empat titik (FPP). METODE PEELITIA Preparasi lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe dilakukan menggunakan teknik vakum evaporasi. Evaporasi adalah sebuah metode pembuatan lapisan tipis dengan penguapan bahan dalam ruang hampa. Pada sistem evaporasi hampa terdapat sumber pemanas untuk mengevaporasi bahan yang diinginkan. Pemanas tersebut dialiri oleh arus yang cukup tinggi, hal Gambar. Metode Four Point Probe(FPP) (Ellingson, R :0) Suatu jajaran empat probe diletakan pada permukaan semikondutor yang akan diukur resistivitasnya. Kemudian sumber tegangan dipasang pada dua probe terluar untuk menghasilkan arus I. Sebuah voltmeter

3 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir) 9 dihubungkan pada kedua probe yang masing masing berjarak s untuk mengukur tegangan jatuh V (Reka Rio,S,98 :9). Dengan susunan tersebut maka resistivitas dapat dihitung sebagai berikut : Δ R = ρ () R = = = = Dengan dan = s seperti ditunjukkan pada Gambar. Sehubungan dengan superposisi arus pada dua probe terluar, R =. ilai resistivitasnya adalah Untuk menentukan lapisan tipis yang memiliki ketebalan t << s, dengan asumsi aliran arusnya seperti lingkaran, sehingga luasnya adalah A = Penurunan persamaan adalah sebagai berikut : R = = ln(x) = ln Dengan konsekuensi untuk untuk R=, sehingga resistivitas untuk lapisan tipis adalah : (9) Dengan = resistivitasn (Ωm) V = tegangan (Volt) I = Arus (Ampere) HASIL DA PEMBAHASA A. Sifat listrik lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe Hasil pengukuran karakterisasi sifat listrik lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe untuk sampel yang diperoleh pada variasi tanpa pemanas substrat, 00 C, 0 C dan 00 C disajikan pada Tabel, Tabel dan Tabel. Tabel.Hasil pengukuran karakteristik sifat listrik lapisan tipis PbS. a. Tanpa pemanas substrat b. 00 C Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca Tidak terbaca 0,69 0,800 0,7 0,869 0,606 0,698 p 0,96,066 0,696 0,80

4 0 Jurnal Fisika Volume, omor, Tahun 06 0,7 0,868 0,69 0,800 0,97,067 0,7 0,866 0,690 0,79 c. 0 C 0,0 0,6 0,9 0,68 0,6 0,60 0, 0,60 0, 0,66 Tabel.Hasil pengukuran karakteristik sifat listrik lapisan tipis PbSe. P,,,7,6,60,79,0,00,0,00 a. Tanpa pemanas substrat 0,6 0,70 P 0,6 0,7 P 0,660 0,79 P 0,66 0,76 P 0,67 0,776 P,0,,,7,,6,8,79,, 0,68 0,78 P 0,6 0,680 P 0,6 0,7 P 0,66 0,76 P 0,68 0,78 P d. 00 C b. 00 C 0,670 0,77 0,69 0,800 0,9 0,68,6,6,9,86 0,67 0,6,0,00 0,8 0,6,0,78,0,70

5 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir),,7 0,0 0,7,9,9 0, 0,6,00,97 0,8 0,0,00,76 0,08 0,70,0,70 0, 0,77 c. 0 C,60,900,9,8,7,99,67,86,609,8 Tabel. Hasil pengukuran karakteristik sifat listrik lapisan tipis PbTe. a. Tanpa pemanas substrat 0,79 0, P 0,77 0,0 P 0,78 0,0 P 0,0 0,77 P,608,8,6,90,60,86,60,8,6,860 0,99 0,7 P 0,9 0,69 P 0,7 0, P 0,7 0, P d. 00 C 0,7 0, P 0,9 0,70 P 0,86 0,9 0,7 0,6 0,6 0,6 0,8 0,9 0,06 0,68 b. 00 C 0,8 0,6 0,7 0, 0,9 0,70 0,86 0,60 0,0 0,79

6 Jurnal Fisika Volume, omor, Tahun 06 (x Ω.cm) 0,08 0,8 (x Ω.cm),0, 0,7 0,,,8 0,96 0,7,8, 0,87 0,6 0,0 0,8,,0,6,9 c. 0 C d. 00 C (x Ω.cm) 0,96 0,686 0,60 0,69 0,60 0,69 0, 0,66 0,6 0,68 0,66 0,6 0,60 0,696 0,60 0,69 0, 0,6 0,6 0,68,,7,7,,,9,6,9,6,0 Lapisan tipis bahan semikonduktor PbS, PbSe dan PbTe memiliki tipe konduksi. yang berarti bahwa bahan PbS, PbSe dan PbTe menghasilkan pembawa muatan negatif yang memiliki elektron sebagai konsentrasi pembawa muatan mayoritas dan hole sebagai konsentrasi pembawa muatan minoritas. Adapun tipe konduksi yang tidak menunjukan tipe, yaitu pada variasi tanpa diberi pemanasan substrat. Untuk bahan semikonduktor PbSe dan PbTe menunjukkan tipe konduksi P, penyebabnya karena tidak diberi pemanasan substrat sehingga bahan yang terbentuk tipis dan hasilnya belum sempurna. Oleh karena itu terjadi perbedaan tipe konduksi dari kedua bahan tersebut, sedangkan pada temperatur dan 00 bahan lapisan tipis semikonduktor PbS menunjukkan perbedaan tipe konduksi yaitu tipe konduksi P. Penyebabnya karena di dalam teknik vakum evaporasi komposisi unsur menyimpang dari stoickiometri, yaitu PbS yang seharusnya Pb dan S 0% akan tetapi di dalam penelitian ini terdapat pengaruh oksidasi sehingga PbS dalam penelitian ini dikenal dengan PbS yang non stoickiometri. on stoickiometri adalah perbandingan massa bahan Pb dan S yang digunakan dalam pembuatan

7 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir) pelet PbS. Dengan kata lain dalam bahan PbS ini terdapat kekosongan donor pada Pb sehingga tingkatan energi berada pada donor, sedangkan kelebihan donor pada S sehingga tingkatan energi berada pada aseptor, sehingga bahan PbS tipe konduksinya menyimpang menjadi P. Besarnya rata-rata nilai resistivitas bahan PbS untuk variasi tanpa pemanasan substrat tidak dapat terdeteksi oleh FPP karena terlalu tipis sehingga sensor pada alat FPP tidak mendeteksi bahan lapisan semikonduktor melainkan adalah substrat kacanya, rata-rata nilai resistivitas pada suhu pada posisi tegak dan melintang adalah 0,87 x Ω.cm dan 0,879x Ω.cm, rata-rata nilai resistivitas pada suhu pada posisi tegak dan melintang adalah,8 x Ω.cm dan,9 x Ω.cm, rata-rata nilai resistivitas pada suhu 00 pada posisi tegak dan melintang adalah 0,709 x Ω.cm dan 0,69 Ω.cm. Besarnya nilai resistivitas bahan PbSe pada variasi tanpa pemanasan substrat pada posisi tegak dan melintang adalah 0,7 x Ω.cm dan 0,76 x Ω.cm, rata rata nilai resistivitas pada suhu pada posisi tegak dan melintang adalah,9 x Ω.cm dan,660 x Ω.cm, rata-rata nilai resistivitas pada suhu,88 x Ω.cm dan,867 x Ω.cm, rata-rata nilai resistivitas pada suhu 00 pada posisi tegak dan melintang adalah 0,9 x Ω.cm dan 0, x Ω.cm. Besarnya rata-rata nilai resistivitas bahan PbTe pada variasi tanpa pemanasan substrat ketika posisi tegak dan melintang adalah 0, x Ω.cm dan 0,6 x resistivitas pada suhu dan melintang adalah 0,69 x Ω.cm, rata-rata nilai pada posisi tegak Ω.cm dan 0,6 x Ω.cm, rata-rata nilai resistivitas pada suhu pada posisi tegak dan melintang adalah 0,67 x Ω.cm dan 0,666 x suhu Ω.cm dan nilai rata-rata resistivitas pada ketika posisi tegak dan melintang adalah,7 x Ω.cm dan,7 x Ω.cm. B. Hubungan lapisan tipis PbS,PbSe,PbTe terhadap Temperatur sibstrat. Pengaruh variasi suhu terhadap resistivitas bahan lapisan tipis PbS,PbSe dan PbTe Gambar. Pengaruh suhu terhadap resistivitas lapisan tipis PbS Gambar.Pengaruh suhu terhadap resistivitas lapisan tipis PbSe

8 Jurnal Fisika Volume, omor, Tahun 06 Gambar. Pengaruh suhu terhadap resistivitas lapisan tipis PbTe Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa dengan penambahan suhu pada bahan akan mengakibatkan terjadinya penurunan resistivitas yang cukup signifikan ini disebabkan adanya migrasi elektron dari pita valensi menuju pita konduksi. Hal tersebut menunjukkan bahwa nilai resistivitas berpengaruh oleh kenaikan suhu. Fenomena tersebut menunjukan ciri bahwa bahan tersebut merupakan bahan semikonduktor. Bila diamati, diagram resistivitas terhadap suhu untuk bahan PbTe lebih baik dibandingkan dengan bahan yang lain, karena semakin naik suhu bahan nilai resistivitasnya semakin turun (dari ketiga diagram), kemudian cenderung menjadi stabil. Kestabilan nilai resistivitas pada suatu rentang suhu tertentu karena penambahan suhu sudah tidak berpengaruh terhadap penuruan resistivitas, sehingga nilai resistivitas akan berubah akibat pengaruh gas yang berinteraksi dengan permukaan bahan. Setelah mencapai nilai resistansi yang minimum, ada sampel yang nilai resistivitasnya mengalami kenaikan lagi yaitu pada bahan PbSe saat suhu setelah sebelumnya mengalami penurunan. Hal ini dapat terjadi karena oksigen yang teradsorbsi akan menarik elektron dari bagian dalam butir sehingga butir akan berada pada daerah bebas / kosong elektron yang menyebabkan peningkatan resistivitas (Gaskov dan Rumyantseva, 999).. Perbandingan resistivitas bahan semikonduktor PbSe VS PbTe

9 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir) Gambar. Perbandingan PbSe VS PbTe. Perbandingan bahan semikonduktor PbS VS PbTe Gambar 6. Perbandingan PbS VS PbTe. Perbandingan bahan semikonduktor PbS VS PbSe.

10 6 Jurnal Fisika Volume, omor, Tahun 06 Gambar 7. Perbandingan PbS VS PbSe Berdasarkan gambar di atas, bahwa sampel memiliki nilai resistivitas lebih kecil dari pada sampel ataupun sebaliknya nilai resistivitas sampel lebih besar daripada sampel, hal ini artinya, semakin besar nilai resistivitas maka semakin kecil daya hantar bahan. Sebaliknya, semakin kecil nilai resistivitas semakin besar daya hantar bahan tersebut Hal ini berarti bahan yang baik untuk membuat bahan optoelektronik untuk detektor adalah bahan yang memiliki nilai resistivitas kecil dan daya hantar listrik yang besar. Apabila bahan tersebut diaplikasikan pada bahan detektor akan menghasilkan detektor yang memiliki sensitivitas tinggi. Dari ketiga bahan yaitu PbS, PbSe dan PbTe yang baik untuk dijadikan bahan optoelektronik pembuatan detector adalah PbS dengan Suhu 00 dan PbTe dengan suhu karena kedua bahan tersebut memiliki nilai resistivitas yang kecil cocok untuk dijadikan bahan optoelektronik bahan detector. KESIMPULA Berdasarkan hasil penelitian dan karakterisasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal berikut:. Hasil karakterisasi sifat elektrik menggunakan FPP menunjukkan bahwa lapisan tipis PbS, PbSe dan PbTe yang terbentuk merupakan semikonduktor tipe dengan resistivitas dalam orde x Ω- cm sampai x. Dari ketiga bahan yaitu PbS, PbSe dan PbTe yang baik untuk dijadikan bahan optoelektronik pembuatan detector adalah PbS dengan Suhu 00 suhu dan PbTe dengan karena kedua bahan tersebut memiliki nilai resistivitas yang kecil cocok untuk dijadikan bahan optoelektronik bahan detektor. DAFTAR PUSTAKA Beiser, A. (99).Concepts of Modern Physics, Second Edition.Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, LTD. Doolittle, A. Physical Vapor Deposition. diakses pada tanggal 9 september 0 pukul 8:00 Hass, Georg. (96). Physics Of Thin Film vol.. ew York : Academic Press. Iin, Z. (0). Pengaruh Variasi Temperature Substrat Pada Struktur Dan Komposisi Kimia Bahan Semikonduktor Pbse Lapisan Tipis Hasil Preparasi Dengan Teknik Vakum Evaporasi.Skripsi.Yogyakarta : FMIPA Malvino.(98). Prinsip prinsip Elektronika.Alihbahasa: Hanafi Gunawan. Jakarta: Erlangga.

11 Pengaruh Suhu Subtrat pada. (Iim Abdul Mufahir) 7 Mukherjee.et al. (00). Lead Salt Thin Film Semiconductors for Microelectronic Applications. Evanston: Electrical Engineering and Computer Science, orthwestern University. eamen, Donald A. (00). Semiconduktors Physics and Devices : Basic Principles. rd. ed. ew York : McGraw Hill. yoman Suwitra. (989). Pengantar Fisika Zat Padat. Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan. Ohring, Milton. (99). The Materials Science of Thin Films.London : Academic Press. Reka Rio S. dan Masamori lida.(98). Fisika dan Teknologi Fisika. PT Pradnya Paramita: Jakarta Smallman, R.E & Bishop, R.J. (000).Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering Science, process, applications, Sixth Edition. ew York: Butterworth-Heinemann. Uswatun, H. (0). Studi Tentang Pengaruh Temperatur Substrat Terhadap Kualitas Bahan Semikonduktor PbS Lapisan Tipis Hasil Preparasi Dengan Teknik Vakum Evaporasi. Skripsi.Yogyakarta : FMIPA. Wuri Handout Kuliah Struktur Kristal. Universitas Pendidikan Bandung: FMIPA UPI. Yeni, R (0). Pengaruh Variasi Temperatur Substrat Terhadap Kualitas Lapisan Tipis PbTe Hasil Preparasi Dengan Teknik Vakum Evaporasi.Skripsi.Yogyakarta : FMIPA. Yoshapat Sumardi. (008). Fisika Zat Padat.Handout Kuliah, Tidak diterbitkan.yogyakarta.universitas egeri Yogyakarta. Yurgens,A.(00). Thin Film Resistance Measurment. Diakses pada tanggal 6 september 0 pukul :0 WIB. Diakses pada tanggal 6 september 0 pukul :06 WIB. Diakses pada tanggal 6 september 0 pukul :07 WIB. Diakses pada tanggal 6 september 0 pukul :08 WIB. diakses pada tanggal 7 september 0 pukul :00 diakses pada tanggal 9 september 0 pukul :00