MODUL 07 KARAKTERISASI LED OLEH IV-METER Devi Nurhanivah, Audia Faza I., Bram Yohanes S., Filipus Arie W, Hanandi Rahmad, Widya Hastuti 10212071, 10212079, 10212011, 10212051, 10212093, 10212068 Program Study Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesa Email: devinurhanivah@gmail.com Asisten : Robby Hidayat / 10211063 Tanggal Praktikum : 25-11-2014 Abstrak Pada Eksperimen Fisika Lanjut modul 7 tentang karakterisasi LED oleh IV-Meter. LED merupakan suatu perangkat semikonduktor p-n junction yang dapat melepaskan foton dengan panjang gelombang tertentu. Praktikum ini dilakukan dua percobaan, pertama mengkarakterisasi LED menggunakan IV-Meter yaitu perangkat yang mampu mengeluarkan hasil data dalam bentuk grafik dengan metoda linier dan metoda logaritmit. Kemudian, dengan menghubungkan IV-Meter dengan computer dan mengamati tegangan LED pada saat menyala. Percobaan kedua, dengan data tegangan diperoleh dari data pertama lalu mengubah tegnagan min imum dan maksimum pada software elkahfi pada computer, kemudian mencatat tegangan yang terjadi pada saat LED nyala. Dari data yang diperolleh diolah datanya dengan menggunakan matlab untuk mendapatkan kurva karakteristik. Kata Kunci : Deplesi, IV-Meter, LED, dan Semikonduktor. I. Pendahuluan Pada praktikum modul Karakterisasi LED oleh IV-Meter bertujuan untuk menentukan karakteristik LED, menentukan jenis warna LED yang digunakan melalui panjang gelombang warna pancaran LED dan tegangan threshold (Vth), menentukan hambatan dalam dari LED, serta menentukan bahan penyusun LED dari nilai energi band-gap. LED adalah singkatan dari Light Emitting Diode, LED merupakan perangkat terbuat dari semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang menghasilkan cahaya ketika arus listrik melewati celah antara katoda dan anoda didalam sistem perangkat tersebut. Gambar 1. Cara kerja LED [1] Cara kerja LED ini yaitu elektron bebas pada bahan semikonduktor tipe n akan mengalir melalui sambungan masuk ke dalam bahan tipe-p, kemudian kehilangan energi dalam bentuk foton cahaya, energy foton ini akan sebanding dengan beda energy antara pita konduksi dan pita valensi (energy band-gap=eg) Keterangan : Eg : Band-gap energy (ev) h: konstanta planck (6.626 x 10-34 ) c : kecepatan cahaya (3x10 8 m/s) : panjang gelombang (m) v : frekuensi (Hz) (1) Semakin besar pelepasan energi, semakin tinggi frekuensi foton cahaya yang dipancarkan, sehingga mengubah warna. Selain itu, akan terjadi rekombinasi dengan lubang-lubang yang ada di dalam bahan tipe-n dan berekombinasi dengan elektron dan saling meniadakan muatan. Akibatnya, tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah
deplesi. Adanya muatan positif yang terpisah dengan muatan negatif, maka dalam daerah deplesi terjadi medan listrik yang melawan proses difus, selanjutnya dengan adanya medan listrik ini terjadi beda potensial listrik antara tipe-p dan tipe-n pada daerah deplesi. [2] Hubungan antara arus dan tegangan pada sambungan p-n dikembangkan oleh Shockley yang kemudian disederhanakan menjadi : Keterangan: I : Arus listrik (A) : Konstanta k : Tetapan Boltzman (1.38x10-23J/K) T : Temperature ( K ) e : muatan elektron ( C ) V : Tegangan (V) (2) Jika ada hambatan/parasitic resistance (Rp yang sangat besar dan Rs) maka persamaan (2) dapat ditulis menjadi : Keterangan : : Konstanta Rs : Hambatan Seri (ohm) n : ideality factor (gunakan 1) (3) Dalam percobaan ini, untuk mengkarakteristik dioda (LED) didapat menggunakan elektrometer, IV meter ELKAHFI 100, yaitu alat yang digunakan untuk mengukur kualitas atau intensitas listrik. Elektrometer dapat membangkitkan tegangan yang sebanding dengan rasio arus masukan ddengan arus referensi. Perangkat IV meter ELKAHFI 100. mampu mengeluarkan hasil data dalam bentuk grafik dengan metoda linier dan metoda logaritmit. II. Metode Percobaan Dalam praktikum modul 7 ini tentang Karakterisasi LED oleh IV-Meter dilakukan dua kali percobaan. Percobaan pertama mengkarakterisasi LED untuk mendapatkan warna nyala dan tegangan pada saat LED nyala. Sebelum melakukan karakterisasi LED, terlebih dahulu dilakukan pemasangan IV-Meter yang dihubungkan ke computer dengan menggunakan software ELKAHFI 100 lalu pilih I-V Characteristic untuk mendapatkan kurva karakteristik dari setiap 8 jenis warna yang digunakan, dan memastikan nilai besaran pada software sama dengan yang ada pada modul. Pada setiap karakterisasi akan menghasilkan data dalam bentuk excel. Percobaan kedua, dengan mengatur tegangan maksimum dan tegangan minimum dari tegangan pada saat LED nyala sebesar ±0.2 Volt, lalu mengamati kapan LED nyala dan mencatat tegangan. Pada percobaan ini semestinya diperoleh nilai tegangan threshold pada saat LED pertama kali nyala. III. Data dan Pengolahan Data Percobaan pertama Tabel 1. Warna LED No. Warna LED Warna Nyala V 1 Bening Hijau 1.94 2 Bening Putih 2.34 3 Selubung Kuning Orange 1.59 4 Bening Infrared 0.91 5 Bening Biru 2.24 6 Selubung Merah Merah 1.64 7 Selubung Hijau Kuning 1.59 8 Bening Merah 1.44 Kurva Karakteristik LED Setelah mendapatkan data tegangan dan arus dari setiap karakterisasi LED lalu dibuat grafik karakteristik setiap LED dengan persamaan garis sebagai berikut :
Gambar 2. Kurva karakteristik LED hijau Gambar 5. Kurva karakteristik LED infrared Gambar 3. Kurva karakteristik LED putih Gambar 6. Kurva karakteristik LED biru Gambar 4. Kurva karakteristik LED orange Gambar 7. Kurva karakteristik LED merah
Grafik Data Linier Berdasarkan data yang diperoleh dari percobaan pertama yaitu nilai tegangan dan arus diambil 5 data yang liniear, lalu dibuat grafik dengan persamaan garis : Gambar 8. Kurva karakteristik LED kuning Gambar 10. Grafik linier LED hijau Gambar 9. Kurva karakteristik LED merah Setelah dilakukan fitting pada kurva karakterisasi pada masing-masing LED didapatkan nilai konstanta, sebagai berikut : Gambar 11. Grafik linier LED putih Tabel 2. Data konstanta fitting No. a b c d R 2 1 1.41E-11 10.5 10.5 2.36E-05 0.9884 2 1.28E-10 15.5 11.5 5.97E-06 0.9922 3 0.9208 25 10 2.02E-01 0.9141 4 1.79E-05 20.5 22.91 5.32E-07 0.9998 5 1.79E-06 9.5 5.566 2.75E-05 0.9826 6 1.18E-09 16.5 16.53 9.61E-06 0.9911 7 2.58E-09 15.5 15.52 1.03E-05 0.997 8 2.06E-08 17 17 9.09E-06 0.992 Gambar 12. Grafik linier LED orange
Gambar 13. Grafik linier LED infrared Gambar 16. Grafik linier LED kuning Gambar 14. Grafik linier LED biru Gambar 17. Grafik linier LED merah Berdasarkan grafik data linier diatas diperoleh konstanta m dan p sebagai berikut Tabel 3. Data konstanta grafik linier LED Gambar 15. Grafik linier LED merah No. m p R 2 1 0.01505-0.03923 0.9737 2 0.01339-0.03529 0.9691 3 0.01485-0.02566 0.7542 4 0.01411-0.01368 0.784 5 0.01048-0.02896 0.9786 6 0.01144-0.063 0.8508 7 0.0178-0.0312 0.8893 8 0.009567-0.01451 0.8022
Percobaan kedua Menentukan tegangan threshold dengan cara mengubah Vmin dan Vmax pada software ELKAHFI 100 di computer sebesar ±0.2Volt. Sehingga diperoleh, Vth pengamatan dan Vth perhitungan diperoleh dari grafik linier (p/m), dihasilkan data sebagai berikut : Tabel 4. Tegangan threshold untuk tiap LED No. Vth Peng(V) Vth Perhit (V) Vth Referensi 1 2.02 2.607 1.9-4 2 2.31 2.635 3.5 3 1.56 1.728 2.03-2.10 4 0.92 0.969 <1.63 5 1.15 2.763 2.48-3.7 6 1.61 1.716 1.63-2.03 7 1.59 1.753 2.10-2.18 8 1.41 1.517 1.63-2.03 Menentukan energy gap berdasarkan Vth yang telah diperoleh. Sehingga diperoleh data sebagai berikut Tabel 5. Energi gap untuk tiap LED No. 1 2 3 4 Eg Peng (J) Eg Hit (J) Eg Ref (J) 3.23E- 4.449E- 3,04E-- 7,6E- 3.70E- 2.50E- 1.47E- 4.26447E- 2.84292E- 1.64393E- <6,65E- 3,857E-- 3,99E- <3,097E- 5 6 7 8 1.84E- 2.58E- 2.54E- 2.26E- 4.48175E- 2.83602E- 2.88011E- 2.52406E- 4,712E-- 7,03E- 3,097E-- 3,857E- 3,99E-- 4,142E- 3,097E-- 3,857E- Dalam menentukan panjang gelombang diperlukan data Vth, lalu dioleh dengan cara : Sehingga, didapatkan data sebagai berikut : Tabel 6. Panjang gelombang untuk tiap LED No. 1 2 3 4 5 6 7 8 Peng Ref (nm) Hit (nm) (nm) 615 474 500-570 538 466 >550 797 700 590-610 1351 1210 >760 1081 444 450-500 772 701 610-760 782 691 570-590 882 788 610-760 Sedangkan, eror yang didapatkan dengan cara :
Diperoleh data sebagai berikut : Tabel 7. Error panjang gelombang No. Error Pengamatan (%) Error Perhitungan (%) 1 7,9-23,1 5,1-16,8 2 <2,15 <15,2 3 30,6-35,1 18,5-98,4 4 <77,8 <59,2 5 96,5-140,3 1,3-11,3 6 1,5-26,6 7,7-15 7 32,5-37,2 17-21,2 8 16-44,6 3,6-29,2 Gambar. Grafik linier I/m terhadap I pada LED putih Hambatan LED Nilai hambatan LED diperoleh dari data setelah LED nyala lalu membuat regresi linier dari terhadap I yang memenui persamaan berikut : Dengan y= dan n = Gambar 20. Grafik linier I/m terhadap I pada LED orange Diperoleh regresi linier dari setiap LED sebagai berikut : Gambar 21. Grafik linier I/m terhadap I pada LED infrared Gambar 18. Grafik linier I/m terhadap I pada LED hijau
Gambar 22. pada LED biru Grafik linier I/m terhadap I Gambar 25. Grafik linier I/m terhadap I pada LED merah Berdasarkan grafik regresi linier diatas, diperoleh data hambatan LED sebagai berikut : Gambar 23. Grafik linier I/m terhadap I pada LED merah Gambar 24. Grafik linier I/m terhadap I pada LED kuning No. Rs kt/e 1 66.43 6.25E-07 2 74.66 3.65E-06 3 67.52-3.30E-05 4 70.82 4.64E-06 5 95.59-5.42E-06 6 87.28-3.87E-06 7 56.21-3.11E-05 8 104.8-4.38E-05 IV. Pembahasan Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan diperoleh beberapa besaran. Untuk tegangan threshold perhitungan lebih besar dari pada tegangan threshold pengamatan, nilai kedua tegangan threshold ini berada dalam range tegangan pada referensi. Untuk energy band-gap, pada perhitungan nilainya lebih besar dari pengamatan. Namun, beberapa ada yang keduanya tetap berada pada range energy referensi ada juga yang tidak dalam range, khususnya pada energy bandgap pengamatan. Sedangkan panjang gelombang pengamatan nilainya lebih besar daripada nilai panjang gelobang perhitungan. Keduanya masuk ke dalam range panjang gelombang, namun
beberapa panjang gelombang pengamatan tidak dalam range panjang gelombang referensi. Untuk eror yang diperoleh nilai yang bervariasi. Hal ini disebabkan karena adanya beberapa faktor, diantaranya ketika pembacaan tegangan threshold pada IV-Meter tidak akurat, bisa saja saat LED menyala praktikan tidak langsung mengambil data. Ketika kesalahan pembacaan tegangan ini terjadi berpengaruh pada perhitungan besaranbesaran lain seperti energy band-gap dan panjang gelombang. Pada saat menghitung energy-gap pengamatan digunakan rumus Eg=e.Vth, rumus ini hanya dapat digunakan pada kondisi tertentu yaitu saat pembawa muatan pada semikonduktor (elektron/hole) sangat besar. Sehingga energi band gap yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan selisih antara tingkat fermi dengan pita valensi maupun pita konduksi. Faktor yang mempengaruhi energy gap berdasarkan rumus yang digunakan untuk menghitung energy band gap yaitutemperatur. Ini menunjukkan bahwa energy band-gap dipengaruhi oleh temperature. Ketika tegangan dioda (LED) turun sedangkan temperature naik dikarenakakan penurunan energy dan arus saturasi yang naik. Selain itu energy band gap dipengaruhi oleh jarak antar atom dalam semikonduktor, yang terkait kuatnya ikatan antara hole dan elektron pada pita valensi. [2] Yang dimaksud dengan arus difusi adalah arus yang terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa. Arus difusi mengalir dari daerah berkonsentrasi tinggi ke daerah yang berkonsentrasi rendah. Sedangkan, arus drift adalah arus yang terjadi ketika semikonduktor diberi medan listrik sehingga partikel-partikel bermuatan akan begerak dengan laju sebanding dengan medan E yang diberikan. Rekombinasi adalah penggabungan kembali sebuah elektron bebas dengan hole, elektron pada jalur knduksi jatuh ke dalam hole pada jalur valensi. Arus yang dominan pada saat grafik tegangan terhadap arus melalui linear adalah arus drift, karena saat grafik mulai linier adalah saat dimana terjadi panjar maju pada LED sehingga menyebabkan perbedaan potensial sehingga terdapat medan listrik pada sambungan. Pengaruh hambatan seri dan parallel pada LED. Pada rangkaian seri dipengaruhi oleh jumlah tegangan, untuk warna LED yang berbeda harus memiliki tegangan threshold yang berbeda pula. Pada rangkaian parallel dipengaruhi oleh jumlah arus. Pada kurva dibawah ini menunjukkan kurva karakteristik tiap rangkaian, untuk rangakaian seri menunjukkan kurva yang adanya penyimpangan eksponensial saat arus yang tinggi. Sedangkan, untuk rangkaian parallel, kurva karakteristik LED parallel adanya peningkatan arus secara linier terlebih dahulu namun seiring tegangan meningkat arus akan meningkat secara eksponensial dengan ekstrim. Pada percobaan modul 7 ini, digunakan rangkaian seri untuk LED, terlihat dari kurva karakteristik yang sesuai dengan kurva dibawah ini. L Gambar 26. Kurva karakteristik seri LED [3] Gambar 27. Kurva karakteristik paralel LED [3
Penurunan rumus dari persamaan berikut : sebagai kedua ruas dikalikan ln ] ] dideferensialkan ] n ideal =1 ] terhadap I dan asumsikan sangat kecil. Dengan mendefernsialkan terhadap I dan dikalikan dengan maka diperoleh Ada tiga cara untuk membuat LED putih. Pertama, yaitu dengan menggunakan fosfor dengan panjang gelombang LED yang pendek (misalkan cahaya biru), sehingga dapat memancarkan cahaya kuning. Cahaya biru yang dihasilkan ketika bercampur dengan cahaya kuning akan menghasilkan warna putih. Kedua, pembuatan LED putih dapat dilakukan dengan mencampur berbagai warna hingga menghasilkan warna putih, misalkan melapisi merah, hijau dan fosfor biru pada spektrum ultraviolet, sehingga LED dapat menghasikan cahaya putih. Ketiga, dengan menggunakan Zn(CN) 2 yang dapat memancarkan cahaya biru dari area aktif dan cahaya kuning dari Zn(CN) 2. merah, memiliki panjang gelombang >760nm. Aplikasi dari LED infra merah ini dapat digunakan sebagai transmitter remote control maupun sebagai line detektor pada pintu gerbang maupun sebagai sensor pada robot. Aplikasi cahaya infra merah sendiri dapat digunakan sebagai link pada jaringan telekomunikasi atau dapat juga dipancarkan pada fiber optic. Sebagai receiver cahaya infra merah dapat digunakan foto dioda, fot transistor maupun modul receiver infra merah. [4] V. Kesimpulan Berdasarkan percobaan yan telah dilakukan, dapat disimpulkan pada percobaan ini digunakan IV-Meter untuk mengkarakterisasi LED, diperoleh nilai tegangan dan arus. Pada percobaan ini digunakan LED yang memiliki rangkaian seri, rangkaian seri ini sangat berpengauh pada tegangan threshold yang digunakan. Tegangan threshold yang didapat dapat digunakan untuk menghitung energy bandgap dan panjang gelombang dari setiap LED yang digunakan. VI. Daftar Pustaka [1]http://en.wikipedia.org/wiki/Lightemitting_diode (26 November 2014) [2]http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Lig ht-emitting-diodes-dot-org/led-slideshow.pdf (26 November 2014) [3] Schubert EF, Light Emitting Diodes. 2nd Edition. New York: Cambridge University Press:2006 [4]http://elektronikadasar.web.id/komponen/led-infra-merah/ (28November 2014) LED Infra Merah merupakan salah satu jenis LED (Light Emiting Diode) yang dapat memancarkan cahaya infra merah yang tidak kasat mata. Karakterisasi LED Infra