EFEK HALL Novi Tri Nugraheni 1,Kiranti Nala Kusuma 1, Ratna Yulia Sari 2, Agung Sugiharto 3, Hanif Roikhatul Janah 4, Khoirotun Nisa 6, Ahmad Zusmi Humam 7. Laboratorium Fisika Material, Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Abstrak Telah dilakukan eksperimen efek hall. Percobaan ini dilakukan dengan memasang pelat semikonduktor pada modul Hall. Pelat tersebut dialiri arus listrik sekaligus diberi medan magnet yang arahnya tegak lurus dengan arus listrik tersebut. Sehingga akan terbentuk beda potensial diantara pelat semikonduktor yang disebut Potensial hall. Bahan semikonduktor adalah salah satu bahan yang banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Karena sifatnya yang mampu menghantarkan listrik dengan baik. Oleh karena itu mengetahui besaran fisis yang terkandung dalam suatu bahan konduktor sangat penting. Salah satu cara untuk menentukan besaran fisis tersebut dengan percobaan efek Hall. Konduktor yang digunakan dalam percobaan ini adalah semikonduktor Germanium intrinsik dan Germanium ekstrinsik. Dengan ditemukannya nilai Potensial Hall ini maka besaran fisis lain seperti resistivitas dan pembawa muatan (n) akan diketahui. Hasil percobaan menunjukkan adanya perbedaan antara bahan intrinsik dan bahan ekstrinsik. Bahwa nilai koefisien hall untuk bahan semikonduktor intrinsik adalah. Selain itu nilai resistivitas bahan tersebut juga diketahui sebesar dan jumlah pembawa muatan pada semikonduktor adalah 2,90 x 10-19 C. Sedangkan untuk bahan semikonduktor ekstrinsik tipe n memiliki koefisien Hall sebesar. nilai resistivitasnya dan jumlah pembawa muatannya sebesar -3,90 x 10-19 C. Kata Kunci : Semikonduktor Intrinsik, Semikonduktor Ekstrinsik, Efek Resistivitas, Pembawa Muatan. I. PENDAHULUAN Hall,, Koefisien Hall, Efek hall adalah peristiwa membeloknya arus listrik dalam pelat konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Peristiwa ini pertama kali ditemukan oleh ilmuwan bernama Dr Edwin Hall pada tahun 1879. Beliau menemukan bahwa jika medan magnet sebuah magnet akan tegak lurus dengan suatu permukaan pelat emas yang dialiri arus. Sehingga terbentuk beda potensial pada ujung-ujung pelat yang saling berlawanan. Prinsip utama efek Hall adalah gaya Lorentz. Gaya Lorentz akan terjadi ketika sebuah bahan konduktor berbentuk pelat dan diberi medan magnet yang dialiri arus listrik. Permukaan atas pelat konduktor tersebut akan sejajar dengan muatan positif yang arahnya ke atas.,sedangkan bagian bawah konduktor akan sejajar dengan muatan negative yang
mengarah ke bawah. Oleh karena itu akan timbul medan listrik dan beda potensial pada penghantar. Setiap bahan konduktor dan semikonduktor akan memiliki konstanta Hall yang berbeda. Hal ini dikarenakan jenis pembawa muatan yang berbeda. Dalam praktikum ini akan ditentukan koefisien bahan semikonduktor yaitu Germanium (semikonduktor intrinsic) dan n Germanium(semikonduktor ekstrinsik). II. DASAR TEORI Jika medan magnet B diletakkan tegak lurus pada suatu pelat logam (konduktor atau semikonduktor) dengan cara menempatkan plat tersebut diantara muka-muka kutub sebuah elektromagnet. Medan ini akan mengarahkan gaya pembelok F pada plat sebagaimana dirumuskan dalam il x B, yang menunjukkan ke arah kanan seperti pada Gambar 1. B W v x L y z Gambar 1. Model percobaan efek Hall Oleh karena gaya yang mengarah ke samping pada plat tersebut adalah disebabkan oleh gaya pembawa muatan, yaitu qv x B. Pembawa-pembawa muatan positif (hole) atau negatif (electron) akan cenderung mengarah ke kanan ketika pembawa muatan ini hanyut (drift) sepanjang plat logam. Hal inilah yang menyebabkan beda-beda potensial kecil V di antara sumbu x dan y. Secara keseluruhan fenomena ini disebut dengan Efek Hall. Formulasi Koefisien Hall : (1) Resistivitas ρ : (2) Pembawa muatan electron/hole : (3) Dimana e, j, E, dan B besaran-besaran fundamental dan t, w, dan L adalah dimensi volum dari sampel (t x l x w).
III. METODE PENELITIAN Percobaan ini dilakukan dengan memasang bahan semikoduktor tipe n Germanium dan tipe npn Germanium. Kedua bahan tersebut dipasang pada alat yaitu modul Hall. Alat tersebut diberi tegangan 12V/5A dari PLN. Soket dari modul Hall tersebut disambungkan dengan multimeter untuk mengukur arus listriknya. Memutar Knop semikonduktor intrinsic dari -15 ma hingga 15 ma. Sedangkan untuk semikonduktor Ekstrinsik dari -30 ma hingga 30 ma. Besarnya arus yg tercatat di LED dan tegangan Hall di multimeter U H yang akan di amati dan dianalisis. IV. ALAT DAN BAHAN PERCOBAAN 1. Knop berputar. 2. Tampilan digital untuk mengambil data yang dihasilkan. 3. Soket penahan modul Hall. 4. LED. 5. Soket untuk pengukuran tegangan Hall U H. 6. Tempat memasukkan sensor magnetik. 7. Swit tekan untuk tampila arus listrik I dan suhu T pada LED. 8. Knop berputar untuk kesalahan tegangan dari tegangan Hall. 9. Tempat memasukkan papan sampel. 10. Soket input tegangan sumber. 11. Tombol on/off untuk mengaktifkan modul Hall. 12. Koneksi interface (computer) V. DATA HASIL PENGAMATAN 1. Semikonduktor Intrinsik. Tebal bahan semikonduktor intrinsik : 0.001 m Besar medan magnet : 0.30 T NO I (ma) U H (V) 1-0.015-9.19 2-0.012-7.42 3-0.009-5.966 4-0.006-4.252 5-0.003-2.444 6 0-0.095 7 0.003 2.318 8 0.006 4.244 9 0.009 6.36 10 0.012 7.819 11 0.015 9.514
Tegangan (V) 2. Semikonduktor Ekstrinstik Tebal bahan semikonduktor ekstrinstik : 0.001 m Besar medan magnet : 0.30 T NO I (ma) UH (V) 1-0.003-1.474 2-0.025-1.253 3-0.002-1.019 4-0.015-0.805 5-0.001-0.542 6-0.005-0.294 7 0 0.051 8 0.005 0.209 9-0.001 0.456 10 0.015 0.696 11 0.002 0.9 12 0.025 1.142 13 0.003 1.359 VI. ANALISIS DATA 1. Germanium Murni Tebal plat (t) = 0,001 m Medan Magnet (B) = 0,30 T Grafik hubungan antara arus (I) dan tegangan (U H ) Grafik Hubungan Tegangan Terhadap Arus Pada Plat Germanium Murni 15 10 y = 646.08x + 0.0807 R² = 0.9968 5 0-0.02-0.015-0.01-0.005-5 0 0.005 0.01 0.015 0.02-10 -15 Arus (A) Dari grafik didapatkan gradien garisnya adalah 646,08 Gradien garis di atas merepresentasikan R H atau koefisien hall plat yang digunakan berdasarkan persamaan garis linear y=mx+c.
Tegangan (V) a. Menentukan koefisien hall plat germanium murni R H = U H = I Yang mana U H =y dan I=x Berdasarkan hasil plot grafik antara U H dengan I diperoleh m= maka b. Menentukan resisitivitas plat germanium murni c. Menentukan jenis pembawa muatan p=n= n= n=2,90 x 10-19 C 2. N-Germanium Grafik hubungan antara arus (I) dan tegangan (U H ) Grafik Hubungan Tegangan Terhadap Arus Pada Plat N Germanium 2 1.5 1 0.5-1 -1.5-2 Arus (A) y = 47.968x - 0.0442 R² = 0.9986 0-0.04-0.03-0.02-0.01-0.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04
Dari grafik didapatkan gradien garisnya adalah 47,968 Gradien garis di atas merepresentasikan R H atau koefisien hall plat yang digunakan berdasarkan persamaan garis linear y=mx+c. a. Menentukan koefisien hall plat germanium murni R H = U H = Yang mana U H =y dan I=x I Berdasarkan hasil plot grafik antara U H dengan I diperoleh m=47,968maka b. Menentukan resisitivitas plat germanium murni c. Menentukan jenis pembawa muatan p=n= n= n=-3,90 x 10-19 C VII. PEMBAHASAN Dalam eksperimen ini akan dibahas tentang fenomena efek hall yang terjadi pada bahan Semikonduktor. Efek Hall timbul ketika aliran listrik dari pelat konduktor berbelok karena adanya pengaruh medan magnet. Saat arus listrik mengalir dari modul Hall diletakkan pada medan magnet yang arahnya tegak lurus dengan arus tersebut maka pergerakan pembawa elektronnya akan berbelok ke salah satu sisi sehingga menghasilkan medan listrik. Karena medan listrik tersebut sangat besar maka gaya Lorentz yang bekerja pada partikel tersebut sama dengan nol. Di samping itu itu juga terjadi perbedaan potensial antara kedua sisi bahan konduktor pada modul Hall yang disebut potensial Hall (U H ). Nilai dari potensial Hall ini sebanding dengan medan listrik dan medan magnet yang melalui modul. Sehingga besar dari potensial Hall bergantung pada besarnya medan magnet yang mengalir dalam rapat arus I yang dilewatkan dalam bahan konduktor. Dengan begitu besaran fisis berupa Koefisien Hall dapat diketahui.
Selain koefisien hall yang diketahui,besaran fisis yang ditemukan adalah resistivitas. Resistivitas (ρ) adalah kemampuan suatu bahan untuk mengantarkan arus listrik yang bergantung terhadap besarnya medan istrik dan kerapatan arus. Semakin besar resistivitas suatu bahan maka semakin besar pula medan listrik yang dibutuhkan untuk menimbulkan sebuah kerapatan arus. Bahan konduktor adalah bahan yang sangat baik dalam menghantarkan aliran listrik. Pada praktikum ini digunakan semikonduktor yaitu bahan yang memiliki konduktivitas listrik diantara isolator dan konduktor. Bahan semikonduktor dapat bersifat konduktor pada temperature ruangan tetapi menjadi isolator saat temperatur sangat rendah. Hal ini karena ketika bahan semikonduktor berada pada suhu yang tinggi, maka muatan negatip (elektron) pada kulit terluar akan terbebas dari ikatan atomnya. Sehingga ada kekosongan elektron (hole) yang dianggap sebagai muatan positip. Muatan negatip dan muatan positip inilah yang disebut pembawa muatan. Pembawa muatan juga besaran fisis yang lain dari bahan semikoduktor. Besar pembawa muatan dapat diketahui pada percobaan ini. Semikonduktor yang digunakan dalam praktikum ini adalah Germanium. Germanium memiliki dua jenis yaitu semikonduktor intrinsik dan semi konduktor Ekstrinsik. Semikonduktor intrinsic adalah bahan murni sedangkan semikonduktor ekstrinsik adalah campuran dengan bahan Fosfor karena bertipe n Germanium. Untuk semikonduktor intrinsic dimulai dari arus -15 ma hingga 15 ma dengan kelipatan 3 ma. Sedangkan semikonduktor ekstrinsik dimulai dari -30 ma hingga 30 ma dengan kelipatan 5 ma. Hasil analisis data menunjukkan bahwa nilai koefisien hall untuk bahan semikonduktor intrinsik adalah. Selain itu nilai resistivitas bahan tersebut juga diketahui sebesar dan jumlah pembawa muatan pada semikonduktor adalah 2,90 x 10-19 C. Sedangkan untuk bahan semikonduktor ekstrinsik tipe n memiliki koefisien Hall sebesar. nilai resistivitasnya dan jumlah pembawa muatannya sebesar -3,90 x 10-19 C. Terdapat perbedaan hasil antara bahan semikonduktor intrinsic dan ekstrinsik.salah satu penyebabnya karena pada semikonduktor ekstrinsik diberi bahan lain sehingga sifat fisisnya berbeda dengan semikonduktor intrinsic yang masih murni. VIII. KESIMPULAN Sifat fisis suatu bahan semikonduktor dapat dianalisa melalui peristiwa efek hall. Instrinstik Ekstrinstik Persamaan Garis y = 646.08x + 0.0807 y = 47.968x - 0.0442 Koefisien Hall Vms 2 /kg Vms 2 /kg Resistivity Vm/A Vm/A Pembawa Muatan 2,90 x 10-19 C -3,90 x 10-19 C
DAFTAR PUSTAKA KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Fisika Eksperimental Lanjut (Bagian Fisika Material). Surabaya: Universitas Airlangga. Saragih. Albert Daniel. 2010. Analisis Fenomena Elektron Bahan Semikonduktor Si dan Ge. Jakarta: Erlangga. Bintoro,Muchammad.2012.Efek Hall.http://blog.ub.ac.id/torodoboy/2012/04/: Diakses tanggal 8 April 2014. Tiara.2012. Resistivitas dan Konduktivitas Konduktor dan Semikonduktor Terhadap Suhu. http://teeyara45.wordpress.com/: Diakses pada 09 september 2014. Zaki, Khorfid Vazriz.2011.Percobaan efek Hall.http://ofidfisika.blogspot.com/:Diakses pada 09 september 2014.