Upload
rizqi-pandu-sudarmawan
View
55
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Laporan Praktikum Modul LR 03: Fisika Dasar 2 2012
Citation preview
LAPORAN PRAKTIKUM R-LAB FISIKA DASAR
KARAKTERISTIK TEGANGAN & ARUS SEMIKONDUKTOR
Nama : Rizqi Pandu Sudarmawan
NPM : 0906557045
Grup : A-7
Fakultas/Departemen :Teknik/Teknik Kimia
No.Percobaan : LR-03
Nama Percobaan : Karakteristik V I Semikonduktor
Tanggal Percobaan : 15 Oktober 2012
Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar
(UPP-IPD)
Universitas Indonesia
Depok, 2012
A. Tujuan Percobaan
Mempelajari hubungan antara beda potensial (V) dan arus listrik (I) pada suatu
semikonduktor.
B. Prinsip Dasar
Sebuah bahan material bila dilewati oleh arus listrik akan menimbulkan disipasi
panas. Besarnya disipasi panas adalah I2R. Panas yang dihasilkan oleh material
ini akan mengakibatkan perubahan hambatan material tersebut. Jika pada
material semi konduktor, pertambahan kalor/panas akan mengurangi nilai hambatan
material tersebut. Peristiwa disipasi panas dan perubahan resistansi bahan semi
konduktor ini saling berkaitan. Hubungan antara daya disipasi panas dan tegangan
serta arus yang terukur adalah sebagai berikut.
P = VI.......(1)
Gambar 1. Rangkaian tertutup semikonduktor
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti
dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah
konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Alat-alat semikonduktor
ini menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya
bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous state).
Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah.
Namun ketika berada dalam suhu tinggi dan terkena cahaya, serta tidak murni
semikonduktor, maka material semikonduktor tersebut mengalami kenaikan
konduktivitas yang pesat yang dapat mendekati konduktivitas material logam.
Bahan-bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik
sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehinggah elektronnya
dapat bergerak bebas. Sebenarnya atom tembaga dengan lambang kimia Cu memiliki
inti 29 ion (+) dikelilingi oleh 29 elektron (-). Sebanyak 28 elektron menempati
orbit-orbit bagian dalam membentuk inti yang disebut nukleus. Dibutuhkan energi
yang sangat besar untuk dapat melepaskan ikatan elektron-elektron ini. Satu buah
elektron lagi yaitu elektron yang ke-29, berada pada orbit t e r luar. Orbit terluar ini
disebut pita valensi dan elektron yang berada pada pita ini dinamakan elektron
valensi. Karena hanya ada satu elektron dan jaraknya jauh dari nukleus, ikatannya
tidak terlalu kuat. Hanya dengan energi yang sedikit saja elektron terluar ini mudah
terlepas dari ikatannya.
Gambar 2. Ikatan atom tembaga
Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari
satu nukleus ke nukleus lainnya. Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-
elektron tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Fenomena
ini yang dinamakan sebagai arus listrik. Isolator adalah atom yang memiliki
elektron valensi sebanyak 8 buah, dan dibutuhkan energi yang besar untuk dapat
melepaskan elektron-elektron ini. Semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya
memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling
"semikonduktor" adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.
Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si),
Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan
satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun
belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini
dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah
oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak
mengandung unsur silikon.
Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4
elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron,
sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan
ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0K), struktur atom silikon
divisualisasikan seperti pada gambar berikut.
Gambar 3. Struktur 2D kristal silikon
Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti
atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena
tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar,
ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan
elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat
terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli
fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan
doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk
mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen,
s e h i n g g a diharapkan bahan semikonduktor tersebut akan dapat menghantarkan listrik.
Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan
faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline
silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam.
Jika pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu
bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, silikon yang
tidak lagi murni ini (impuritysemiconductor) akan memiliki kelebihan elektron.
Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga
donor yang siap melepaskan elektron.
Gambar 4. Doping atom pentavalen
Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan
didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya
adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita
valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen
yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima
elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini
menjadi tipe-p.
Gambar 5. Doping atom trivalen
Semikonduktor tipe-p atau tipe-n jika berdiri sendiri tidak lain adalah sebuah
resistor. Sama seperti resistor karbon, semikonduktor memiliki resistansi. Cara ini
dipakai untuk membuat resistor di dalam sebuah komponen semikonduktor. Namun
besar resistansi yang bisa didapat kecil karena terbatas pada volume semikonduktor itu
sendiri.
Pada semikonduktor elektron terikat lebih kuat. Ketika suhu dinaikkan, elektron menjadi
lebih tidak terikat dan dapat bergerak lebih mudah, konduktivitas naik, resistivitas turun.
Nilai hambatan dari suatu bahan semikonduktor berkaitan dengan temperatur di
sekelilingnya. Temperatur tersebut mempengaruhi energi yang dimiliki elektron.
Semakin tinggi temperatur maka akan semakin banyak elektron yang memiliki energi
pada level konduksi. Jumlah elektron pada level konduksi akan mempengaruhi
konduktivitas semikonduktor tersebut, semakin banyak maka semakin mudah
menghantarkan arus listrik.
Suatu material yang memiliki hambatan listrik akan menghasilkan panas atau kalor bila
dialiri arus listrik. Jumlah kalor yang dihasilkan sebanding dengan beda potensial antara
kedua ujung material tersebut, besar arus yang mengalir, dan lamanya waktu arus
tersebut mengalir. Hubungan in i secara umum dapat d inyatakan secara
matemat i s sebagai ber ikut .
. . . . . . . . (2 )
Dimana :
W v
= energi listrik = tegangan listrik
( Joule )
( Volt )
i t
= arus listrik = waktu / lama aliran listrik
( Ampere )
( sekon )
Arus listrik terjadi karena adanya aliran elektron dimana setiap elektron mempunyai
muatan yang besarnya sama. Jika kita mempunyai benda bermuatan negatif berarti
benda tersebut mempunyai kelebihan elektron. Derajat termuatinya benda tersebut
diukur dengan jumlah kelebihan elektron yang ada. Muatan sebuah elektron, sering
dinyatakan dengan simbul q atau e, dinyatakan dengan satuan coulomb, yaitu sebesar:
q = 1,6 x 10-19 coulomb.
Pada dasarnya dalam kawat penghantar terdapat aliran elektron dalam jumlah yang
sangat besar, jika jumlah elektron yang bergerak ke kanan dan ke kiri sama besar maka
seolah-olah tidak terjadi apa-apa. Namun jika ujung sebelah kanan kawat menarik
elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya maka akan terjadi aliran elektron
ke kanan (dalam hal ini disepakati bahwa arah arus dari kanan ke kiri). Aliran
elektron inilah yang selanjutnya disebut arus listrik.
Yang menentukan seberapa besar arus yang mengalir adalah besarnya beda potensial
(dinyatakan dengan satuan volt). Jadi untuk sebuah konduktor semakin besar beda
potensial akan semakin besar pula arus yang mengalir. Beda potensial diukur antara
ujung-ujung konduktor. Namun kadang-kadang kita berbicara tentang potensial pada
suatu titik tertentu. Dalam hal ini kita sebenarnya mengukur beda potensial pada titik
tersebut terhadap suatu titik acuan tertentu. Sebagai standar titik acuan biasanya
dipilih titik tanah (ground).
Pada sebagian besar konduktor logam, hubungan arus yang mengalir dengan potensial
diatur oleh Hukum Ohm. Dia menggunakan rangkaian sumber potensial secara seri,
l a l u mengukur besarnya arus yang mengalir dan menemukan suatu hubungan linier
sederhana, yang dituliskan sebagai berikut.
V = IR......(3)
dimana R = V/I disebut hambatan dari beban. Nama ini sangat cocok karena R menjadi
ukuran seberapa besar konduktor tersebut menahan laju aliran elektron. Berlakunya
hukum ohm sangat terbatas pada kondisi-kondisi tertentu, bahkan hukum ini tidak
berlaku jika suhu konduktor tersebut berubah. Untuk material-material atau piranti
elektronika tertentu seperti diode dan transistor, hubungan I dan V tidak linier.
Gambar 6. Rangkaian percobaan hukum Ohm
C. Peralatan
Bahan semikonduktor
Ampermeter
Voltmeter
Variable power supply
Camcorder
Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
D. Prosedur Percobaan dan Data Pengamatan
a. Prosedur Percobaan
1. Melakukan login di http://sitrampil.ui.ac.id/elaboratory, lalu masuk ke dalam
halaman login R-LAB melalui link yang tertera pada Pekan Praktikum ke-4
untuk tanggal 15 Oktober 2012 dengan modul praktikum LR03 –
Karakteristik V I Semikonduktor.
2. Melakukan login pada halaman login R-LAB sehingga muncul tampilan
peralatan berikut.
Gambar 7. Rangkaian percobaan pengukuran arus dan tegangan semikonduktor
3. Mengatur beda potensial dengan memilih tegangan V1 pada pengaturan
pemilihan tegangan supply rangkaian sebagai berikut.
4. Mengaktifkan power supply/baterai dengan mengklik radio button pada pilihan
menghidupkan power supply sebagai berikut.
5. Mengukur beda potensial dan arus yang terukur pada hambatan, dengan
mengklik tombol ukur sebagai berikut.
6. Mencatat data yang diperoleh, yaitu 5 buah data terakhir dengan interval 1 detik
antara data ke satu dengan data berikutnya.
7. Mengulangi prosedur nomor 3 hingga prosedur nomor 6 untuk beda potensial
V2 hingga V8.
b. Data Pengamatan
Tabel 1. Data Pengamatan pada saat tegangan V1
V (volt) I (mA)
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
Tabel 2. Data Pengamatan pada saat tegangan V2
V (volt) I (mA)
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
Tabel 3. Data Pengamatan pada saat tegangan V3
V (volt) I (mA)
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
Tabel 4. Data Pengamatan pada saat tegangan V4
V (volt) I (mA)
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
Tabel 5. Data Pengamatan pada saat tegangan V5
V (volt) I (mA)
2.33 16.62
2.32 17.27
2.32 17.27
2.32 17.27
2.32 17.27
Tabel 6. Data Pengamatan pada saat tegangan V6
V (volt) I (mA)
2.93 22.16
2.93 22.48
2.92 22.81
2.92 22.81
2.92 23.13
Tabel 7. Data Pengamatan pada saat tegangan V7
V (volt) I (mA)
3.25 26.07
3.25 25.74
3.25 26.39
3.24 26.72
3.24 26.39
Tabel 8. Data Pengamatan pada saat tegangan V8
V (volt) I (mA)
3.70 30.95
3.70 31.61
3.69 31.93
3.69 32.26
3.68 32.58
E. Evaluasi Percobaan
1. Perhatikan data yang telah diperoleh, apakah terjadi perubahan tegangan dan arus
untuk V1 , V2 , V3 , V4 dan V5? Bila terjadi perubahan, jelaskan secara singkat
mengapa hal tersebut terjadi, dan bila tidak terjadi jelaskan pula mengapa demikian!
Jawab :
Tidak terjadi perubahan tegangan dan arus untuk V1, V2, V3, dan V4. Hal ini
dikarenakan perubahan temperatur pada semikonduktor akibat pemberian energi/panas
dari energi listrik baterai sangat kecil (ΔT ≈ 0). Hal ini terjadi karena saat akan
mengambil data, praktikan terlebih dahulu memastikan bahwa beda potensial awal
mendekati nol. Maka, saat pengambilan data untuk V1, V2, V3, dan V4 temperatur
semikonduktor relatif sama dengan temperatur awalnya.
Pada pengukuran untuk V5, ada perubahan tegangan dan arus. Pada tabel 5
terlihat bahwa pada pengambilan data pertama ada kenaikan arus yang cukup
signifikan kemudian konstan dengan perubahan tegangan yang sangat kecil (0,01 volt)
kemudian konstan. Hal ini terjadi karena pada pengambilan data pertama ada
perubahan temperatur yang cukup besar dibandingkan pengambilan data terakhir
untuk V4. Hal ini menyebabkan terjadinya perubahan arus yang besar pula.
Selanjutnya, perubahan tegangan yang terukur pun sangat kecil dikarenakan terjadi
perubahan temperatur yang sangat kecil (ΔT ≈ 0) yang relatif stabil sehingga arus
yang terukur pun konstan.
2. Tentukan nilai rata-rata beda potensial yang terukur dan arus yang terukur untuk V1,
V2 , V3 hingga V8!
Jawab :
V1
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 0,47+0,47+0,47+0,47+0,47
5 volt
= 0,47 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 3,26+3,26+3,26+3,26+3,26
5 mA
= 3,26 mA = 0,00326 A
V2
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 0,96+0,96+0,96+0,96+0,96
5 volt
= 0,96 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 6,84+6,84+6,84+6,84+6,84
5 mA
= 6,84 mA = 0,00684 A
V3
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 1,36+1,36+1,36+1,36+1,36
5 volt
= 1,36 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 9,78+9,78+9,78+9,78+9,78
5 mA
= 9,78 mA = 0,00978 A
V4
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 1,91+1,91+1,91+1,91+1,91
5 volt
= 1,91 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 13,69+13,69+13,69+13,69+13,69
5 mA
= 13,69 mA = 0,01369 A
V5
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 2,33+2,32+2,32+2,32+2,32
5 volt
= 2,322 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 16,62+17,27+17,27+17,27+17,27
5 mA
= 17,14 mA = 0,01714 A
V6
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 2,93+2,93+2,92+2,92+2,92
5 volt
= 2,924 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 22,16+22,48+22,81+22,81+23,13
5 mA
= 22,678 mA = 0,022678 A
V7
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 3,25+3,25+3,25+3,24+3,24
5 volt
= 3,246 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 26,07+25,74+26,39+26,72+26,39
5 mA
= 26,262 mA = 0,026262 A
V8
Beda potensial
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 3,70+3,70+3,69+3,69+3,68
5 volt
= 3,692 volt
Arus
= 𝒙𝒊
𝒏𝒊=𝟏
𝒏
= 30,95+31,61+31,93+32,26+32,58
5 mA
= 31,866 mA = 0,031866 A
3. Buatlah grafik yang memperlihatkan hubungan V vs I untuk rata rata V dan rata-rata I
yang terukur!
Jawab :
Tabel 9. Data V rata-rata dan I rata-rata
V rata-rata (volt) I rata-rata (Ampere)
0,47 0,00326
0,96 0,00684
1,36 0,00978
1,91 0,01369
2,322 0,01714
2,924 0,022678
3,246 0,026262
3,692 0,031866
Gambar 8. Grafik Tegangan rata-rata (sumbu y) terhadap Arus rata-rata (sumbu x)
4. Bagaimanakah bentuk kurva hubungan V vs I ? Jelaskan!
Jawab :
Dari data hasil pengamatan untuk V1 hingga V8, apabila kita menghubungkan
titik-titik yang merepresentasikan hubungan tegangan rata-rata dan arus rata-rata akan
membentuk suatu kurva grafik yang cenderung linier. Grafik ini menunjukkan bahwa
tegangan rata-rata dengan arus rata-rata berbanding lurus. Hal ini terkait dengan
pemberian beda potensial baterai yang diberikan, yaitu V1 hingga V8. Jika beda
potensial yang diberikan semakin besar, maka tegangan dan arus yang terukur pada
rangkaian semikonduktor pun akan semakin besar juga. Apabila tegangan dan arus
yang terukur pada rangkaian semikonduktor semakin besar, maka akan menyebabkan
nilai tegangan rata-rata dan arus rata-rata yang besar pula.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0,00326 0,00684 0,00978 0,01369 0,01714 0,022678 0,026262 0,031866
V r
ata-
rata
(vo
lt)
I rata-rata (Ampere)
Grafik V Rata-Rata vs I Rata-Rata
5. Berdasarkan bentuk kurva grafik V vs I, bolehkah kita menggunakan hukum Ohm
dalam peristiwa ini?
Jawab :
Kurva grafik V vs I cenderung linier serta menunjukkan bahwa tegangan rata-
rata dengan arus rata-rata berbanding lurus. Hal ini sesuai dengan hukum Ohm pada
persamaan (3) yang juga menyatakan bahwa tegangan berbanding lurus dengan arus.
Bila tegangan yang terukur makin besar maka arus yang terukur pun akan semakin
besar pula, seiring dengan penurunan nilai resistansi/hambatan semikonduktor. Jadi,
Ya kita boleh menggunakan hukum Ohm dalam peristiwa ini.
V = IR......(3)
6. Buatlah analisis dari hasil percobaan ini!
Jawab :
Analisa Percobaan
Pada percobaan modul LR-03 ini, praktikan melakukan percobaan online
dengan menggunakan fasilitas RLAB. Praktikan melakukan percobaan dengan tujuan
untuk mempelajari karakteristik tegangan dan arus pada semikonduktor serta
keterkaitannya dengan Hukum Ohm.
Secara garis besar, praktikan melakukan percobaan dengan mengatur beda
potensial yang diberikan serta mengukur tegangan dan arus yang tercatat pada suatu
sistem rangkaian seperti pada Gambar 7. Sebagai tahap awal, praktikan memastikan
bahwa beda potensial power supply/baterai mula-mula mendekati nol sehingga bisa
dianggap tidak terjadi aliran arus listrik pada rangkaian. Langkah selanjutnya,
praktikan memilih pemberian beda potensial dari power supply/baterai sebesar V1.
Kemudian praktikan menghidupkan power supply sehingga terjadi aliran arus listrik
pada rangkaian tersebut.
Dengan adanya aliran arus listrik maka akan ada tegangan dan arus yang
terukur pada rangkaian semikonduktor oleh voltmeter dan amperemeter. Praktikan lalu
mencatat lima data yang terukur dengan interval 1 detik antara data yang satu dengan
data yang lain.
Gambar 7. Rangkaian percobaan pengukuran arus dan tegangan semikonduktor
Langkah-langkah tersebut dilakukan oleh praktikan hingga pengukuran untuk
beda potensial V8. Dengan data-data yang ada, praktikan kemudian mengamati
perubahan tegangan yang arus yang terukur dan mencari nilai rata-rata dari setiap
pengukuran dengan beda potensial yang berbeda serta memplotkannya dalam bentuk
grafik Tegangan Rata-Rata vs Arus Rata-Rata.
Analisa Hasil
Pada data hasil pengukuran yang disajikan pada tabel 1 hingga tabel 8, terlihat
tidak terjadi perubahan tegangan dan arus untuk V1, V2, V3 dan V4. Hal ini
dikarenakan perubahan temperatur pada semikonduktor akibat pemberian energi/panas
dari energi listrik baterai sangat kecil (ΔT ≈ 0). Hal ini terjadi karena saat akan
mengambil data, praktikan terlebih dahulu memastikan bahwa beda potensial awal
mendekati nol. Maka, saat pengambilan data untuk V1, V2, V3, dan V4, temperatur
semikonduktor relatif sama dengan temperatur awalnya. Berarti, hanya beberapa
ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron
terlepas dari ikatannya dan menghantarkan sangat sedikit arus listrik. Hal penting
yang harus dicatat adalah bahwa dalam pengukuran ini digunakan satuan mA (mili
Ampere) untuk arus sehingga arus yang dihasilkan memiliki skala yang sangat kecil.
Pada pengukuran untuk V5, ada perubahan tegangan dan arus. Pada tabel 5
terlihat bahwa pada pengambilan data pertama ada kenaikan arus yang cukup
signifikan kemudian konstan dengan perubahan tegangan yang sangat kecil (0,01
volt) kemudian konstan. Hal ini terjadi karena pada pengambilan data pertama, ada
perubahan temperatur yang cukup besar dibandingkan pengambilan data terakhir
untuk V4. Hal ini terjadi karena ketika suhu mendadak naik, elektron menjadi lebih
tidak terikat dan dapat bergerak lebih mudah, konduktivitas naik, resistivitas turun.
Hal ini menyebabkan terjadinya perubahan arus yang besar pula. Selanjutnya,
perubahan tegangan yang terukur pun sangat kecil dikarenakan terjadi perubahan
temperatur yang sangat kecil (ΔT ≈ 0) yang relatif stabil sehingga arus yang terukur
pun konstan.
Pada percobaan ini walaupun ada perubahan temperatur, namun sangat kecil
sehingga hukum Ohm pada persamaan (3) boleh dipakai. Hubungan antara daya
disipasi panas dengan arus dan tegangan yang terukur pada persamaan (1) pun dapat
dinyatakan sebagai berikut.
P = VI.......(1)
V = IR..........(3)
P = (IR)I.......(1)
P = I2R.......(1)
Sementara itu bila ada perubahan temperatur yang signifikan, sebagaimana
pada pengukuran untuk V6-V8, yang menghasilkan variasi nilai tegangan dan arus
terukur, maka hukum Ohm tidak dapat dipakai. Hal ini dikarenakan resistansi tidak
hanya akan dipengaruhi oleh tegangan dan arus yang terukur saja, namun juga oleh
ρ, yaitu nilai resistivitas (hambat jenis) dari bahan yang dipakai. PaHubungan
antara R dengan ρ, dinyatakan sebagai berikut.
Ro = ρ 𝐿
𝐴.......(4)
R = Ro [1 + α (T-To)].......(5)
Di mana:
R = nilai hambatan yang terukur pada temperatur T (ohm)
Ro = nilai hambatan yang terukur pada temperatur To (ohm)
ρ = resistivitas (ohm m)
L = panjang bahan (m)
A = luas penampang bahan (m2)
α = koefisien temperatur hambat jenis
Analisa Grafik
Gambar 8 merupakan grafik hubungan antara tegangan rata-rata dengan
terhadap arus rata-rata yang terukur pada setiap pengukuran dengan beda
potensial yang berbeda. Grafik ini terdiri dari nilai-nilai tegangan rata-rata di
sumbu y dan nilai-nilai arus rata-rata pada sumbu x. Nilai tegangan rata-rata dan
arus rata-rata, masing-masing dapat diperoleh dengan mengambil nilai mean
dari 5 data yang diambil pada pengukuran dengan beda potensial tertentu. Hasil-
hasil pengukuran tersebut telah disajikan pada tabel 1 hingga tabel 8 pada bagian
data pengamatan di atas.
Gambar 8. Grafik Tegangan rata-rata (sumbu y) terhadap Arus rata-rata (sumbu x)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0,00326 0,00684 0,00978 0,01369 0,01714 0,022678 0,026262 0,031866
V r
ata-
rata
(vo
lt)
I rata-rata (Ampere)
Grafik V Rata-Rata vs I Rata-Rata
Grafik yang dihasilkan berupa kurva yang cenderung linier ke atas (bernilai
positif). Grafik ini menunjukkan bahwa tegangan rata-rata dengan arus rata-rata
berbanding lurus. Hal ini terkait dengan pemberian beda potensial baterai yang
diberikan, yaitu V1 hingga V8. Jika beda potensial yang diberikan semakin
besar, maka tegangan dan arus yang terukur pada rangkaian semikonduktor pun
akan semakin besar juga. Apabila tegangan dan arus yang terukur pada
rangkaian semikonduktor semakin besar, maka akan menyebabkan nilai
tegangan rata-rata dan arus rata-rata yang besar pula. Hal ini sesuai dengan
hukum Ohm pada persamaan (3) yang juga menyatakan bahwa tegangan
berbanding lurus dengan arus. Bila tegangan yang terukur makin besar maka
arus yang terukur pun akan semakin besar pula, seiring dengan penurunan nilai
resistansi/hambatan semikonduktor.
V = IR......(3)
Persamaan garis dari kurva grafik pada Gambar 8 dapat ditentukan dengan
menggunakan metode least square (kuadrat terkecil). Dengan metode ini, maka
koefisien persamaan garis y = mx + b , dapat ditentukan sebagai berikut.
m= 𝑛(Σxy) - (Σx)(Σy)
n(Σx2 )−(Σx)2
b= 𝑛(Σy)(Σx
2 ) - (Σx)(Σxy)
n(Σx2 )−(Σx)2
Di mana n adalah banyaknya nilai arus rata-rata yang berhubungan linier dengan
nilai tegangan rata-rata. Sedangkan x adalah nilai-nilai arus rata-rata dan y
adalah nilai-nilai tegangan rata-rata. Data-data untuk penentuan koefisien m dan
b dari persamaan garis akan disajikan dalam tabel 10 berikut.
Tabel 10. Data untuk Penentuan Koefisien Persamaan Garis
x y x2 xy
0,00326 0,47 1,06276 x 10-5
1,5322 x 10-3
0,00684 0,96 4,67856 x 10-5
6,5664 x 10-3
0,00978 1,36 9,56484 x 10-5
0,0133008
0,01369 1,91 1,874161 x 10-4
0,0261479
0,01714 2,322 2,937796 x 10-4
0,03979908
0,022678 2,924 5,14291684 x 10-4
0,066310472
0,026262 3,246 6,89692644 x 10-4
0,085246452
0,031866 3,692 1,015441956 x 10-3
0,117649272
Σx = 0,131516 Σy = 16,884 Σx² = 2,853683584x10-3 Σxy = 0,356552576
m= 8(0,356552576 ) - (0,131516)(16,884)
8(2,853683584x10-3 )−(0,131516 )2
m= 0,631904464
5,533010416 x10-3
m= 114,206
b= 8(16,884)(2,853683584x10-3 ) - (0,131516)(0,3566552576)
8(2,853683584x10-3 )−(0,131516 )2
b= 0,3372472244
5,533010416 x10-3
b = 60,952
Jadi, persamaan garisnya adalah y = 114,206x + 60,952
Analisa Kesalahan
Karena ini percobaan yang bersifat online, maka praktikan memiliki
keterbatasan untuk memperkirakan apa saja kesalahan-kesalahan yang terjadi
dan penyebab-penyebab kesalahan tersebut. Maka praktikan menduga bahwa
kesalahan yang terjadi mungkin adalah pada saat pengambilan data pengamatan
pada pengukuran V1 hingga V8 yang diakibatkan oleh adanya kesalahan
instrumen pengukuran ataupun pengaruh suhu ruangan ataupun suhu pada
semikonduktor itu sendiri yang tidak diketahui praktikan dengan pasti. Selain
itu, mungkin adanya faktor human error dari praktikan baik saat pengambilan
data, penyusunan data, serta pengolahan data percobaan. Oleh sebab itu,
praktikan mencoba meminimalisir kesalahan-kesalahan tersebut terutama dari
segi perhitungan, yaitu dengan cara tidak menggunakan pembulatan angka
melainkan menyadur angka hasil perhitungan yang tertera pada kalkulator.
Dengan cara ini diharapkan hasil perhitungan lebih akurat.
Perkiraan seberapa besar kesalahan yang terjadi pada saat penentuan koefisien-
koefisien persamaan garis dengan metode least square (kuadrat terkecil) dapat
ditentukan sebagai berikut.
Sy2=
1
𝑛−2 (Σy
2 ) − (Σx
2 )(Σy)2 - 2(Σx)(Σxy)(Σy) + n(Σxy)
2
n(Σx2 )−(Σx)2
Sb= Sy (Σx
2 )
n(Σx2 )−(Σx)2
Sm= Sy n
n(Σx2 )−(Σx)2
Tabel 11. Data untuk Penentuan Kesalahan Persamaan Garis
x y x2 y
2 xy
0,00326 0,47 1,06276 x 10-5
0,2209 1,5322 x 10-3
0,00684 0,96 4,67856 x 10-5
0,9216 6,5664 x 10-3
0,00978 1,36 9,56484 x 10-5
1,8496 0,0133008
0,01369 1,91 1,874161 x 10-4
3,6481 0,0261479
0,01714 2,322 2,937796 x 10-4
5,391684 0,03979908
0,022678 2,924 5,14291684 x 10-4
8,549776 0,066310472
0,026262 3,246 6,89692644 x 10-4
10,536516 0,085246452
0,031866 3,692 1,015441956 x 10-3
13,630864 0,117649272
Σx = 0,131516 Σy = 16,884 Σx² = 2,853683584x10-3
Σy² = 44,74904 Σxy = 0,356552576
Dengan memasukkan data-data pada tabel 11 akan didapatkan hasil berikut.
Sy2=
1
8−2 (44,74904 ) −
(2,853683584x10-3)(16,884)2
- 2(0,131516)(0,356552576)(16,884) + 8(0,356552576)2
8(2,853683584x10-3 )−(0,131516)2
Sy2=
1
6 (44,74904 ) − (0,813498) – (1,583461502) +(1,017037915)
5,533010416 x10-3
Sy2=
1
6 (44,74904
) − 44, 65460832
Sy2 = 0,015738613
Sy = 0,125
Sb = Sy (Σx
2 )
n(Σx2 )−(Σx)2 = 0,125
(2,853683584x10-3 )
8(2,853683584x10-3 )−(0,131516 )2
Sb =0,125 (2,853683584x10
-3 )
5,533010416 x10-3 = 0,09
Sm = 0,125 8
8(2,853683584x10-3 )−(0,131516 )2 = 0,125
8
5,533010416 x10-3
Sm = 4,77
Sm menunjukkan simpangan yang terjadi saat penentuan gradien pada
persamaan garis y = mx + b, sedangkan Sb menunjukkan simpangan yang
terjadi saat penentuan b pada persamaan garis y = mx + b. Sementara itu, nilai
kekuatan hubungan antara tegangan rata-rata (sumbu y) dan arus rata-rata
(sumbu x) pada grafik, dapat ditentukan dengan menggunakan metode korelasi
linier.
Nilai ini dinyatakan sebagai koefisien determinasi (R2), yang didefinisikan
sebagai perbandingan dari variasi terjelaskan terhadap variasi total. Nilai
koefisien determinasi berkisar antara 0 (tidak ada relasi) dan 1 (relasi sempurna).
Penentuan koefisien determinasi sebagai nilai kekuatan hubungan antar variabel
dari grafik pada Gambar 8, dapat ditentukan sebagai berikut.
R2 =
𝑛(Σxy)-(Σx)(Σy) 2
𝑛(Σx2 )− (Σx)2 𝑛(Σy
2 )−(Σy)2
R2 =
8(0,356552576)-(0,131516)(16,84) 2
8(2,853683584x10-3 )− (0,131516)2 8(44,74904)−(16,884)2
R2 =
(0,3993032516 )
5,533010416 x10-3 72,922864
R2 = 0,989
F. Kesimpulan
Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena
konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain
(doping).
Semikonduktor bila dilewati oleh arus listrik akan menimbulkan disipasi panas.
Disipasi panas ini akan mengurangi nilai hambatan semikonduktor tersebut
tersebut. Besarnya disipasi panas dapat dinyatakan sebagai berikut.
P = I2R
Berkurangnya nilai hambatan semikonduktor akan mengakibatkan ikatan elektron-
elektron banyak yang terlepas, sehingga elektron-elektron mudah bergerak untuk
menghantarkan listrik.
Ketika nilai hambatan semikonduktor turun, maka konduktivitasnya (kemampuan
untuk menghantarkan arus listrik) semakin tinggi sehingga arus yang mengalir pun
meningkat.
Bila rangkaian semikonduktor dialiri listrik oleh suatu beda potensial, tegangan (V)
yang semakin tinggi akan menyebabkan arus (I) yang mengalir pun semakin tinggi
seiring dengan menurunnya nilai hambatan (R) semikonduktor. Hal ini sejalan
dengan hubungan antara V dan I yang berbanding lurus pada hukum Ohm.
V = IR
Bentu kurva pada grafik hubungan antara tegangan rata-rata terhadap arus rata-rata
adalah cenderung linier dan mempunyai persamaan garis y = 114,206x + 60,952.
y ± Sy = y ± 0,125, m ± Sm = 114,206 ± 4,77, b ± Sb = 60,952 ± 0,09.
Koefisien determinasi untuk grafik hubungan antara tegangan rata-rata terhadap
arus rata-rata adalah R2 = 0,989. Koefisien determinasi mendekati 1 berarti
mendekati relasi sempurna. Berarti 98,9% dari nilai variabel terikat dapat
dijelaskan oleh variasi nilai variabel bebasnya (kekuatan relasi antar variabel amat
kuat).
G. Referensi
1. Giancoli, D.C. 2001. Fisika, Edisi Kelima Jilid Dua. (Terj. Yuhilza Hanum). Jakarta:
Penerbit Erlangga
2. Halliday, Resnick, Walker. 1984. Fisika, Edisi Ketiga Jilid Dua. (Terj. Pantur Silaban
dan Erwin Sucipto). Jakarta: Penerbit Erlangga
3. http://sitrampil7.ui.ac.id/lr03
Diakses oleh Rizqi Pandu Sudarmawan pada hari Sabtu tanggal 15 Oktober 2012,
pukul 12.01-12.10 WIB.
4. Tipler, P A., 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid 2. (Terj. Bambang Soegiono). Jakarta:
Penebit Erlangga
5. Y o un g , H ug h D . & F r eedm an , R og e r A . 20 04 . S ea rs a nd
Z ema ns ky ’s : Uni ver s i t y Physics. San Fransisco: Pearson Education, Inc.
H. Lampiran
Data Percobaan
V(volt) I(mA)
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
0.47 3.26
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
0.96 6.84
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
1.36 9.78
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
1.91 13.69
2.33 16.62
2.32 17.27
2.32 17.27
2.32 17.27
2.32 17.27
2.93 22.16
2.93 22.48
2.92 22.81
2.92 22.81
2.92 23.13
3.25 26.07
3.25 25.74
3.25 26.39
3.24 26.72
3.24 26.39
3.70 30.95
3.70 31.61
3.69 31.93
3.69 32.26
3.68 32.58